第141章 秒的诞生
66读书 www.66dushu.com，最快更新湖心有个小岛!
不喜欢天文和物理的读者，请直接跳到下一章。
转眼就到了周末。高建约了周洁和韩刚，如期来到风波巷蹭饭。
吃完晚饭，几人来到客厅，翠儿给泡了茶，李二狗正式开启话题：“上次提到，年月日和秒有很大的关系，今天再接着上次的话题聊吧。”
高建清了清嗓子道：“关于时间的概念其实有两个含义，一个叫时刻，一个叫时长。在某个时间轴上，时刻表示一个确定的点距离参考点的长度。而时长，则是在某个时间轴上，两个表示时刻的点之间的长度。时刻的数值与参考点有关，时长的数值与参考点无关。我们所说的公元，就是一个参考点。它相当于时间轴的零点。
“而地球人的历法所演绎的时间其实就是记录日月星辰运行的历史，并根据历史推导出未来。
“史官在这些表示时刻的点上，填写上当时发生的事件，就是史书。比如武王伐纣、汉武登基、周懿王元年天再旦于郑、赤壁之战等就是大事。
“这些大事才是定位时间轴上时刻的重要参考点。帝王登基都要弄个什么元年，改个年号，就是要确立一个自己的时间基准点。这就是最初的地球时刻天然的表示方法。
“因为地球上最初的时间计量都来自于对年月日的测定，因此，年月日就是地球人关于时长的最原始的单位。而一年中人们最关心的时刻就是24个节气和岁首。人们最常用的时长单位就是日。
“日是量度月和年的天然单位。用来测量它的工具就是我们的眼睛。从太阳升起再到太阳升起，就是一日。
“我们知道，日是因地球的自转而形成的。其实我们在地球上观测太阳的运行规律而得到的日并不等于地球的自转周期，它其实是地球自转和公转的综合结果。由于地球自转一周的过程中，它又公转了大约1度（59秒），由于地球的自转和公转是同向的，所以地球还要再自转1度地球上的人才能看到和昨天相同的太阳，这1度的自转地球还要花大约3分56秒才能完成。这时日心和地心连线才会通过相同的经线。这才是一个地球人视觉上的一天：24小时。这个一天称为太阳日。我们的日历用的就是太阳日。
“但从遥远的外太空观察，地球的自转周期是23时56分4秒，这个称为恒星日。”
高建继续道：“不光日有太阳日和恒星日的区别，月也有朔望月、恒星月、近点月、交点月等不同概念。
“月最明显的变化是圆缺。古人将看不到月亮的那天称为朔，月满的那天称为望。这种来自月的朔望变化的周期就称为朔望月。从地球人的月相观测的朔望变化周期上来看，一个朔望月是29.53日。历法中的月用的就是朔望月。
“面从外太空观察，月亮绕地球公转一周的周期是27.32日。这个周期是以恒星为参照的，叫做恒星月。
“因地球存在绕日公转，在恒星月的27.32天中，地球又公转了大约27度。由于地球公转和月亮公转是同向的，从一个朔月到另一个朔月月亮要公转大约387度，而不是360度。这多出来的27度月亮还大概还需要公转2.21天。因此朔望月长于月亮的公转周期，它是月亮公转和地球公转的综合结果。
“月除了圆缺的变化，大小也会有变化。这是由于月亮的公转轨道并不是正圆，而是椭圆。当它离地球近时，看着就大。近点月：是指月球绕地球公转连续两次经过近地点（或远地点）的时间间隔。当近点月遇上望月时，我们就会看到超级大月亮。东汉刘洪已测得近点月为27.日，现代测量结果为27.日。
“月亮除了圆缺和大小有变化，还会引起日蚀和月蚀现象。交点月：是指月球绕地球公转，连续两次通过白道和黄道的同一交点所需的时间。黄白道的交点是不断移动的，移动方向和月球的运动方向相反，作逆向运动，移动周期是18.6年。这个周期也是地球的章动周期。是由于太阳对地月系统的摄动造成的。南北朝的祖冲之已测得交点月为27.日，现代测量结果为27.。
“当朔月遇上交点月时，发生日蚀，当望月遇上交点月时，发生月蚀。因此，日月交食周期既是朔望月的整数倍，也是交点月的整数倍。
“年也可分为回归年和恒星年。我们平常所说的一年大约365.25天，这个是指回归年，它是从日相变化和节气变化的长期观测中得来的，是太阳中心在黄道上连续两次经过春分点的时间间隔，也是太阳连续两次直射于北回归线的时间间隔。所以又称‘太阳年’、‘季节年’。回归年的平均长度为365.天。
“而恒星年是指地球中心从天空中的某一点出发，环绕太阳一周，然后又回到了该点所用的时间，是地球绕日公转的真正周期。恒星年的平均长度为365.天。
“恒星年比回归年要长20分24.5秒，即0.34小时。这个差异被称为岁差。为什么会有岁差呢？
“自转的地球就像是一个旋转的陀螺，旋转的陀螺会产生进动，地球的自旋也会产生进动，进动速度大概每71年1度，大约26,000年会完成一周。进动并不改变赤道平面与黄道平面的交角。由于进动的方向和地球公转的方向相反，就造成春分点会不断西移，所以回归年要比恒星年短。这就是造成岁差的原因。
“岁差是地球公转和地轴运动相结合的结果，这种结合决定了二分二至地球位置不是定点，而是在公转轨道上不断西移的动点，从而导致地球公转一周不等于太阳直射点纬度变化一周。
“天级绕黄道轴的进动，会造成不同年份春分点，北斗的斗柄角度发生微小的旋转，大概26,000年会旋转一周。因此，用星相的位置来确定节气的方法要用据此进行修正。每6500年会相差约90度。
“跟春夏秋冬季节相关的是回归年，所以我们的历法用的都是回归年。就象月用的是朔望月而不是恒星月，日用的是太阳日而不是恒星日一样，都是从适应地球人的日常生活来角度来选择的。
“其实，由于地球绕日轨道是椭圆。黄道，并不是一个正圆。当我们简单计算春分点和秋分点的时差时，就会发现地球轨道并不是一个正圆，而是一个椭圆。从春分到秋分，3月21号到9月23号是186天；从秋分到春分，9月23号到3月21号是179天，相差了7天。这种差异会导致在黄道的不同位置太阳日和朔望月的长度都会发生微小的变化，这些变化都隐藏在了大小月的设置里。大小月的确定不是表面那么简单。而太阳日和朔望月的概念也只是周期性的平均值而已。
“而事实证明，地球的自转周期——日也并非固定不变的。它存在三种变化。
“一、从长期来看，地球的转速在减慢。自转周期约合每35,000年增长1秒，以地球自转周期为基准所计量的时间，2000年来已累计慢了2个多小时。引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。据推算，3.7亿年以前，泥盆纪中期时地球上的一年有400天左右。二亿年后，一年仅有三百天，一天会变成三十小时。
“二、周期性变化。20世纪50年代从天文测时的分析发现，地球自转速度有季节性的周期变化，春天变慢，秋天变快，此外还有半年周期的变化。周年变化的振幅约为20～25毫秒，主要是由风的季节性变化引起的。
“三、不规则变化。地球自转还存在着时快时慢的不规则变化。其原因非常复杂，尚待进一步分析研究。比如陨石撞击，陨石相对于地球的角动量就会影响地球的自旋速度。
“当地球自转周期长期变慢的幅度较大时，我们的历无疑要作相应的调整。因此，年、月、日这些时间长度都是不固定的。而且太过依赖天文观测，如果没有独立于天文观测之外的测时手段，当日的长度发生微小的变化时，我们凭感觉根本无从知道。
“日常生活中还需要比年月日更小的时间单位。
“古华夏人把一日分为十二时辰。配以十二地支，即：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。一个时辰相当于今天的两个小时。用一个滴嘴向一个容器中滴水，从日出到另一个日出，测容器中的水量，平均分成十二份，其中一份就需要一个时辰才能滴完。西方人计时则把一日分为二十四份，每一份就是今天的时。因为古代华夏的时是西方的时的两倍，为了区分，华夏的时辰又叫‘大时’，西方的时就叫‘小时’。小时传入华夏后，同时引入了分和秒的概念。华夏把一个时辰分为八刻，这个和西方把一个小时分为四刻正好相等。在计时的时间单位上东西方在这里不谋而合了。
“古人建立在天文观测上的测时工具主要有圭表、日晷等。圭字本身就象是个刻度尺，圭表中水平放置测量日影长度的刻度尺就是圭，立着产生影子的叫表。它能测定冬至日，并通过两个冬至日之间的日数就可得到年的长度。如果为了精确，可以将圭表做得很大，也可以测多年平均值。
“日晷：是对圭表的重要发展，也是利用日影来计时。利用日晷来计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明已被人类延用了几千年，它不但已经可以精确到一天的具体时刻，还能显示节气和月份，但它也有显而易见的缺点，那就是必须需要有太阳，夜晚和阴天则不能用。
”上述两个工具都不能将测时从对天文观测的依赖中解放出来。如果时间的测定仍然是建立在天文观测的日的基础上，那么当日的长度发生变化时，这种测时的结果就失去了校准的依据，没有了可再现性。
“不依赖天文观测的计时工具有滴漏。东汉的张衡利用漏壶的水力驱动制造了大型天文计时仪器——水运浑天仪。它可以和日月运转同步，还有自动报时的功能。相当于水力驱动的机械钟了。1276年，元代着名天文学家郭守敬创制了大明灯漏，也是利用水力驱动。
“另外一个不依赖天文观测的计时工具是焚香。古时候做的标准的计时香一柱香燃完大概半个时辰，相当于今天的一个小时，因此也叫‘更香’。另外沙漏、油灯钟、蜡烛钟等计时工具和焚香也差不多是一个道理。它们的缺点是不准，且只适合确定时长，很难确定时刻。
“不依附天文测量的计时工具就是使用了另外的时间轴。这个时间轴要跟日月运行的时间轴进行校准。例如现代的摆钟、电子表、机械表等。这些测时工具的精度已大大提高，但是仍然需要和天文观测的时间轴锚定，并校准。
“经过一段时间过后，校准过的两个时间轴，可能就会不同步了，因为这些计时工具不可能都非常准确。人们需要一个统一的授时系统作为标准，其他系统都以其为标准进行校准。历就是是天然的授时系统，万年历是以天文测量为标准的授时系统，其时间单位是日、月、年、甲子等。
“原子钟可以不依赖天文测量的日来精准授时，但如果用作日历授时仍然需要以天文测量的时刻为标准来合并时间轴。如：‘刚才最后一响，是北京时间八点正’就是华夏统一的授时系统。
”这就产生了一个问题：原子钟里面日的时长是不变的，但是太阳日的时长却是会改变的，那这两个不同的日要如何一直保持同步呢？我们总不能一直让时、分、秒的长度按天文日的变化来不断调整吧？
“我们的科学体系、精密仪器也需要以不依赖天文观测的秒来作为标准时间单位，授时系统一旦调整，影响巨大。
“我们把不依赖天文测量的原子钟计时系统给出的标准时间称为原子时，依天文测量确定的标准时间称为世界时。地球自转形成的一日是世界时。原子钟走了24小时，是原子时。虽然这个24小时曾经是从那个天文日转化过来的，但是一旦转化过程完成，它就不再依赖于日的长度了，它就变成一个独立的时间单位了。现在时和分的单位都是依赖秒来定义，不再依赖日的定义了，因为日的时间长度会变。当然，秒也曾经是从时和分转化过来的，但是转化已经完成，它们只是保留了原来的进制关系，现在确定时和分的时间长度，是依赖于秒的定义。原子时的秒和世界时的日月年是没有确定的倍数关系的。
“秒，曾经是从天文观测的‘日’中间接地诞生出来的，但是它出生后，就完全跟天文测量无关，却反过来成为人类确定其它一切时间的标准单位。
“我们的原子时和世界时怎么同步呢？上次我们已经谈过关于处理岁和年的同步问题，就是采用闰月的方法。处理原子时和世界时的同步问题可以采用闰秒的办法。一段时间以后，日的世界时长度累计如果长出原子时长度差不多一秒，就让原子时闰一秒，以保证世界时和原子时相差不超过0.9秒。反之就闰负一秒。这样就保持了世界时的日不会改变，原子时的秒也不会改变，但是它们的时间轴上的大刻度仍然对应。这个闰秒一般放在公历年末或公历六月末。前年和去年的六月末都有正一秒的闰秒。有闰秒的那个日就不是正好24小时了。
“我们用闰秒调整日，用大小月调整月，用闰日调整年，用闰月调整岁。至此，我们对于时间单位的定义终于从天文观测中解放出来，得到了一个独立的时间单位：秒。起初的秒并不独立于天文观测，它经历了逐步的演化才真正地从天文和历法的定义中解脱出来。秒的独立史也是人类科学进步的历史。
“秒的定义经历了较长的时间。古希腊天文学家，包括希巴谷和托勒密，定义太阳日的24分之一为时， 以六十进制细分时和分，得到秒是一太阳日的86,400分之一。这个称为世界时秒。按此定义复现秒的准确度只能达到亿分之一。世界时秒是秒的第一代。
“1960年，第十一次的国际度量衡会议通过决议。将秒定义为：自历书时1900年1月1日12时起算的回归年的31,556,925.9747分之一为一秒。当时天文学家知道地球在自转轴上的自转不够稳定，不足以作为时间的标准。就象长度的米的定义必须指定为经过巴黎的那条经线一样，秒的定义也要指定一个特定历元下的地球公转周期，这个特定的历元就是1900年1月1日12时。这就是秒的定义在历书上的锚定。这样定义的秒，称为历书秒或历书时秒。历书秒是秒的第二代。
“但是历书秒定义产生的时候，已经过了锚定点60年，显然不可能回过头去实测。但是，纽康的太阳表以1900年的历元描述了太阳的运动，所依据的是1750年至1892年142年的天文观测。因此可以经由线性关系的平回归年的算式推导出历书秒的长度。
“历书秒的定义虽然还是锚定在特定的历元上，但是已具备了既可今后独立定义又能和当下历法单位无缝对接的条件。随着原子钟的发展，秒有了新的定义基准，而不需要再借用太阳日。历书秒为秒脱离对天文观测的依赖做好了准备。
“1967年，第13届国际度量衡会议通过决议，将秒作为时间的国际标准单位定义为：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间为一秒。原子的能级非常稳定，跃迁辐射信号的周期自然也非常稳定，而且测量方便，复现秒的准确度可以达到千万亿分之一。这个称为原子钟秒，是秒的第三代定义，它已经完全摆脱对天文观测的依赖。
“到本世纪70年代，由于相对论的发现，人们认识到，重力时间膨胀会导致在不同高度的原子钟有不同的秒。因此授时的原子钟必须修正为在平均海平面的高度，以取得一致的秒。用相对论的术语来说，秒被定义成在转动的大地水平面上的原时。
“1977年，在bIpm的会议中对秒的定义加进了新的陈述：铯原子在0K下是静止不动的。这个定义意味着对那些原子钟之内的运作进行外推的数值，应该考量到周围温度的补偿（黑体辐射）。
“这就是我们今天定义的秒。作为时间的标准长度，它已经彻底地摆脱了对历的锚定。但是，要确定时刻，人类还是要在历上为原子钟寻找一个固定的锚点。
“一旦精确的原子钟授时系统崩溃，我们还是需要用历重新找回时间的锚点。”
高建结束了他对于时间的漫长叙述。李二狗又产生了一个新的问题：“时间为什么不能象空间那样可以很容易地固定位置呢？时间到底是什么呢？它为什么没有一个固定的起点？”
“其实，空间也没有固定的起点！”高建道。
“为什么？”
“因为运动！没有运动就没有一切！下次我们谈时空和运动。”
补充材料：西方历法
大约公元前3000年，古埃及人制定了太阳历，他们不是看禾熟了，而是统计了尼罗河泛滥的周期，这是西方历法最早的源头。古埃及人把天狼星和太阳同时升起的第一天，作为一年的开始，因此称为\天狼星\年。据此，尼罗河会定期泛滥。古埃及也是一个农业国，尼罗河的泛滥对农业生产影响极大。古埃及人的1年为365天，分12个月，每个月30天，多出来5天作为休假日。他们也发现回归年长度大约为365.25天，并规定每4年加一天。这和华夏的历法差不多。
古罗马最开始使用的历法1年只有10个月，每个月30天或31天，总共304天，另外60多天统统作为年末休息日。公元前46年，凯撒大帝（儒略·凯撒）命令以埃及天文学家索西琴尼为首的一批天文学家制定新历。
早期的罗马历法是根据月亮的运行周期制定的，每个月由新月开始，持续大约29.5天。然而，罗马人注意到每年的实际长度为365天左右，而不是12个月（约354天）的整数倍。为了与太阳的季节变化保持一致，他们引入了闰月的概念，即在需要的时候插入一个额外的月份。
最初的设计，一年为12个月；单月大，31天；双月小，30天。这样1年就有366天，需要减去1天。因为当时的死刑犯定在二月处决，人们希望流血的二月快点过去，所以凯撒就决定从二月减去1天，二月就变成29天。该历法称为‘儒略历’。
儒略历制定得挺好，但实施时却闹了笑话。那些颁发历书的祭司们，把改历命令中的‘每隔三年设一闰年’误解为‘每三年设一闰年’。这个错误直到公元前9年才由罗马帝国第一任皇帝屋大维·奥古斯都下令改正过来。
为了纪念屋大维·奥古斯都的丰功伟绩，罗马元老院通过决议，把儒略历的7月改称为“屋大维”（July）月，8月改称为奥古斯都‘Augustus’月。但八月是小月，未免有点逊色，何况罗马人以单数为吉，于是又从2月份拿出一天，加到8月里，8月就31天了，而2月就只有28天了，又对后面的大月进行了调整，10月和12月为31天。
儒略历把3月21日固定为春分日，但随着时间的推移，人们发觉，真正的春分与当时的日历并不一致，而是越来越早。到16世纪末已提前到3月11日了，这就影响了教会的节日和农业的时令，引起了很多不便和混。365.25天与365.2422天，相差了11分14秒，这个差数看着不大，但是128年就会差一天，400年就差三天多。
16世纪，意大利天文学家准确地计算出一回归年是365.2422天，每400年只有97个闰年，整百的年份不是闰年，能被400整除年份依然是闰年。1582年，罗马教皇再次修正了儒略历置闰法则，经过修正的儒略历被称为格里历(格里高利历)，也就是我们现在使用的公历的最终版本。
格里高利历沿用了儒略历的闰年规则，100年不闰而400年闰。平均每年有365.2425天，与回归年相差不到26秒。格里高利历还规定了一次性的日历调整：在1582年10月4日之后，直接跳到10月15日，以消除之前累积的误差。这和华夏的《太初历》在太初元年一口气补闰三个月有异曲同工之妙。只不过《太初历》是正闰，格里高利历是负闰，1582年的10月，少了10天。
格里高利历和华夏农历的年和节气几乎完全吻合，就像是量身订制的一样。这种不约而同，体现了东西方科学家在历法制定上的高超水平。