1.8　物理学的时间观

在铁路路基上，雷电击中了铁轨上彼此相距遥远的两处： A 点和 B 点，当然，这两处的雷电闪光是同时发生的。如果我问你这句话有无意义，你会很肯定地回答说“有”。但是，如果我现在请你解释一下这句话的意义，那么你就会发现在考虑之后回答这个问题，并不像最初想象的那么容易。

经过若干时间思考的你或许会这样回答：“这句话的意思本来就很清楚，没有必要再加以解释。当然，如果用观测的方法来判断这两件事在实际情况中是否同时发生，我仍然需要考虑考虑。”这样的答案不能让我满意。假如有一位能干的气象学家经过巧妙的思考，发现闪电总能同时击中 A 处和 B 处，我们就将面临必须检验理论结果是否与实际相符的任务，同时在一切物理陈述中含有“同时发生”概念的地方，我们都将遇到同样的困难。对于物理学家而言，一个概念能否成立，取决于该概念在实际情况中是否能够被真正满足。因此我们需要有这样一个同时性定义，这定义必须能提供一个方法，以便能使物理学家可以用这个方法通过实验来确定那两处雷击是否真正同时发生。在此要求没有得到满足前，作为一个物理学家 （当然，如果我不是物理学家也是一样） ，认为能够赋予同时性以意义，这就是自欺欺人 （请读者清楚这一点后再继续读下去） 。

在经过一段时间的思考后，你提出了检验同时性的建议，先测量铁轨，量出线路 AB 的长度，然后将观察者安置在 AB 之间的中点 M ，观察者应该有一种装置 （例如，相互成90°的两面镜子） ，使他的视觉既能观察到 A 处又能观察到 B 处。如果这位观察者能同一时刻感觉到这两道闪光，那么这两道闪光必定是同时的。

我很高兴你能提出这个建议，但我不认为已完全解决了该问题，因为我仍有一些不同的意见。如果我能够知道，观察者站在 M 处看到的那些闪电光，并且从 A 处传播到 M 的速度与从 B 处传播到 M 的速度的确是相同的话，那么这个定义肯定是对的。但是，假定的方法必须要加以验证，而对于该定义的验证，我们需要掌握测量时间的方法才存在可能。因而，就目前来说，我们好像尽围绕这个逻辑在兜圈子。

经过更深层次的思考后，你带着无可非议、有些轻蔑的眼光瞥我一眼，宣称：“我将仍然坚持我先前的定义，这个定义实际上完全没有对光作过任何假定。同时性定义的要求只有一个，即在每一实际情况中，它必须要为我们的实验所提供一个方法，这个方法能判断该定义所规定的概念是否能被满足。很明显的是，我的定义已经满足了这个要求，这是无可争辩的事实。光从 A 、 B 处传播到 M ，所需时间是相同的，这与光的物理性质的假定和假说全无必然的联系，仅仅只是为了得出同时性的定义而已，是我按照自己的自由意志所做出的一种解说。”

这个定义是很清楚的，它能对两个或多个我们选定的任意事件的同时性规定出一个确切的意义，而与事件相对于参考物体 （在此是铁路路基） 的位置无关，我们因而也可以得出物理学的“时间”定义。为此，我们假定同一结构的钟放在铁路线 （坐标系） 上的 A 、 B 和 C 诸点上，并使它们的指针同时 （按照上述意义来理解） 指着相同的位置。在这些条件下，我们把一个事件的“时间”理解力放在该事件的 （空间） 最邻近的那个钟的读数 （指针所指位置） 上。照这样看来，每一个本质上的时间值都与可以观测到的事件有联系。

如果没有相反的实验证据的话，这个规定所包含的另一物理假说很少会有人想到。我们已经假定，放在铁路线上的钟的构造完全一样，它们以相同的频率走动。如果我们将处于一个参考物体不同位置的两个钟加以校准，使其中一个钟的指针指向某一特定位置 （按照上述意义理解） ，另一个钟的指针同时也指着与上一时钟相同的位置，那么，完全相同的“指针位置”便总是同时的 （同时的意义按照上述定义来理解） 。

相关问题　物理学中的时间

度量两个时刻之间的间隔长短的物理量叫做“时间”。它表征物质运动过程的持续性和顺序性。任何一种周期运动的周期都可作为时间标准，如中国古代的水漏、十二地支 （子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥） 都是利用周期性的计时方法计时的例子。

时间是物理学中的一个基本物理量。一段时间在时间坐标轴上用一线段表示。为了用具体数字说明时间，必须选择某一时刻作为计时起点，这是人为的。计时起点不一定是物体开始运动的时刻。在物理学中，将太阳连续两次经过观察者所在的子午线的时间称为一个太阳日，即一昼夜。因太阳日略有差异，取一年中所有太阳日的平均值作为时间的标准，称为一个平均太阳日，简称1日。1日分为24小时，1小时分为60分，1分又分为60秒，于是规定1日的1/86400为1秒作时间标准。但是这样规定的秒是不精确的。1967年，第13届国际计量大会规定，以基态铯-133原子的两超精细结构能级之间的辐射周期的91926317700倍为1标准秒。时间常跟位移或平均速度相对应，例如：“五秒钟内所发生的位移”或“头两秒内的平均速度”。

时刻 把短暂到几乎接近于零的时间叫即时，即时表示时刻。时刻与时间不同。例如，事件发生在什么时刻？事件持续了多长时间？这是两个不同的概念，应区别前几秒末、后几秒初、第几秒末、第几秒初等等时刻的概念，以及前几秒、后几秒、几秒内、第几秒等等时间的概念。用一根无限长的只表示先后次序不表示方向的带箭头的线来描述时间和时刻，这条带箭头的线叫做时间轴。时间轴上的每一个点表示一个时刻。时刻衡量一切物质运动的先后顺序，它没有长短，只有先后，它是一个序数。时间轴上相应两个时刻之间的间隔长短，表示一段时间，时间是一个只有长短，而没有方向的物理量。时间具有连续性、单向性、序列性，并且总是不断向前流逝。

世界时 地球自转运动是个相当不错的天然时钟，以它为基础可以建立一个很好的时间计量系统。地球自转的角度可用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。为了测定地球自转，人们在天球上选取了两个基本参考点：春分点和平太阳点，以此确定的时间分别称为“恒星时”和“平太阳时”。恒星时虽然与地球自转的角度相对应，符合以地球自转运动为基础的时间计量标准的要求，但不能满足日常生活和应用的需要。人们习惯上是以太阳在天球上的位置来确定时间的，但因为地球绕太阳公转运动的轨道是椭圆，所以真太阳周日视运动的速度是不均匀的 （真太阳时是不均匀的） 。为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统，人们引进了一个假想的参考点：平太阳。它在天赤道上做匀速运动，其速度与真太阳的平均速度相一致。

平太阳时的基本单位是平太阳日，1平太阳日等于24平太阳小时，86400平太阳秒。以平子夜作为0时开始的格林尼治平太阳时，就称为“世界时”，简称“ UT ”。世界时与恒星时有严格的转换关系，人们是通过观测恒星得到世界时的。后来发现，由于地极移动和地球自转的不均匀性，最初得到的世界时，记为 UT 0 ，也是不均匀的。人们对 UT 0 加上极移改正得到 UT 1 ，如果再加上地球自转速率季节性变化的经验改正就得到 UT 2 。

20世纪60年代以前，世界时作为基本时间计量系统被广泛应用，因为它与地球自转的角度有关，所以即使出现了更为均匀的原子时系统，世界时对于日常生活、大地测量、天文导航及其他有关地球的科学仍是必需的。

时间的测量

时间描述事件的次序。可以选定某种周期性重复的运动过程作为参考标准，把其他物质的运动过程与这个选定的运动过程进行比较，判别和排列各个事件发生的先后顺序及运动的快慢程度。

通常所说的时间测量包括既有差别又有联系的两个内容：时间间隔的测量和时刻的测量。物理学所关心的主要是时间间隔的测量及与其在数学上用倒数关系相联系的频率测量，一般统称时间频率计量。

时间的单位是秒。随着科学技术的发展，秒的定义曾做过两次重大的修改。

最早，人们是利用地球自转运动来计量时间的，基本单位是平太阳日。19世纪末，将一个平太阳日的1/86400作为1秒，称作世界时秒。

由于地球的自转运动存在着不规则变化，并有长期减慢的趋势，使得世界时秒逐年变化，不能保持恒定。按此定义，秒的准确度只能达到亿分之一秒。

1960年国际计量大会决定采用以地球公转的运动为基础的历书时秒作为时间单位，即将1900年初，太阳的几何平黄经为279°41′8″04的瞬间作为1900年1月1日12时整，从该时刻起算的回归年的1/31556925.9747作为1秒。按此定义，秒的准确度提高到十亿分之一秒。

1967年，国际计量大会决定采用原子秒定义取代历书时秒定义。即将铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的91926317700个周期所持续的时间定义为1秒。按此定义，秒的准确度已优于十万亿分之一秒。

原子在发生能级跃迁时以电磁波形式辐射或吸收能量，该电磁波的频率和周期精确地与原子的微观结构相对应，所以极为稳定。人们利用这一特性制成了各种各样性能优异的原子钟。

实验室型的铯束原子钟是复现原子秒定义的时间频率基准器，具有最高的准确度和长期稳定度。氢原子钟是激射器型的，它的短期稳定度优于铯原子钟，但因受到贮存泡“壁移效应”的限制，准确度比铯原子钟低一个数量级。铷原子钟是气泡型的，结构简单，轻便价廉，虽然准确度不高，但短期稳定度尚好，作为工作标准是很适宜的。此外，人们正在研究利用离子贮存技术和激光稳频技术制造性能更好的原子钟。

用选定的某一瞬间作为原点，用选定的时间单位“秒”进行连续不断的积累，就构成一个时间参照坐标系，叫做时标或时间尺度。时标的原点称做时刻起点或起始历元。某一事件发生的瞬间与时标上某点相对应，此瞬间称做“时刻”。两个时刻之间的持续时间称做“时间间隔”。到目前为止，时标不外是基于天文观测或对某些周期性重复运动的测量而获得。

原子时标是由连续不断工作着的原子钟得到的。对各自独立的原子时标加以平均，可以提高它们的均匀性。国际时间局根据国际单位制时间单位秒的定义，以各国有关研究所运转的原子钟的读数为依据，进行加权平均得到的时间参考坐标叫做“国际原子时” （ TA l ） ，它的起点是1958年1月1日0时0分0秒 （ UT 2 ） 。

高度准确的标准频率和时间信号主要通过无线电波的发射和传播提供给使用部门。按其载波频率可分为超高频、高频、低频和甚低频发播，分别由专用授时台发播或由导航台、电视台、通信卫星等兼任。

由于传输特性不同，所以接收精度、接收范围、接收时间，以及校准设备操纵的难易和经济性各有不同，不同的用户可以根据需要和可能选择使用。

时间应用

精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量。它为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。精密时间以其完美的线性和连续性展示出缤纷的客观世界的理性，成为人类认识世界和改造世界的科学锐剑。

精密时间不仅在基础研究领域有重要的作用，如地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫星动力学测地等，而且在应用研究、国防和国民经济建设中也有普遍的应用，如航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等，甚至已经深入到人们社会生活的方方面面，几乎无所不及。

随着现代社会的高速发展，对高精度时间频率提出了更高要求，特别是现代数字通信网的发展、信息高速公路建设，各种政治、文化、科技和社会信息的协调都是建立在严格的时间同步基础上的，见下表： YAlvsbUXptUNNbobBmN8i5eURKy4CiQyDSujBrw7bcpO1MQCzLQ3yJCsNLroKWtS