追踪时间的脚步

追踪时间的脚步

本文编译自Brian Koberlein 的博文The Pace of Time

时间的脚步不好把握。一日有多长?如何精确区分每一日?古人用日晷、滴漏计时,时间单位从大到小有“时、刻、字、秒、忽“,后来西方机械钟表传入国内,为了区别于传统的”大时,大家将西方的“时”称作”小时“,并逐渐以此来计算时间。但是这些计时方式并不足能满足我们精益求精的追求。

为了精确计时,现代人制定了各种标准:

国际原子时(TAI):以一台原子钟作为时标,无视任何地球运动

协调世界时(UTC):计算机所使用的时间标准,有点像TAI,但为了与地球同步需要进行闰秒调整

GPS时间系统GPS卫星所使用的时间标准

零类世界时(UT0)一类世界时(UT1):基于精确测量的地球自转周期

此外还有地球时(TDT)质心力学时(TDB)质心坐标时(TCB)地心坐标时(TCG)等等。

时间的真相究竟几何?

最近几十年的科学研究告诉我们,今日之“一日“绝非往日之情形。根据地质记录,数百万年来,地球日长增加了约1小时,也就是说,过去一年的天数要大于现在。推算至6.2亿年前,一天只有22小时,而不是现在的24小时(准确说应该是86400.002秒)。

其实时间的脚步在一点点变慢,每天的真实时长都在变长,只是变化幅度极其微小,一百年过去后,一天也就增加几毫秒。但几毫秒累积成1秒时,就会产生蝴蝶效应,这对人类的意义是举足轻重的。在航天领域,飞船1秒要飞将近8公里的路程,1秒的误差意味着飞船轨道偏移,飞船着陆地点偏差十万八千里,飞船的安全受到巨大威胁。在网络通信上,卫星以及电脑、手机等电子设备的时间系统都会产生混乱,这一秒的误差进而可能引发金融市场的动荡。其它部门诸如军事、潜水、电力部门等无一例外。从1972年至今,协调世界时(UTC)已经增加闰秒26次,最近的一次是北京时间7175959后面增加的1秒,当时全世界都对即将出现的75960严阵以待。

(图片源自网络)

确切地说,每个世纪日长大约会增加1.8毫秒。今天小编就要讲一讲这非同小可的1.8毫秒背后的故事。

最近几十年,科学家终于找到了足够精确的测量日长的方法,从而可以使用纳秒为单位。他们利用的工具是原子钟,或者通过对遥远星河中的类星体进行超精密测量。他们观察到,每天地球日长都会因为地震等原因发生各种波动。在这种波动的背后,是地球自转的变化。地球日长变长一部分归因于月球对海洋的引力作用,即潮汐摩擦作用。月球吸引海水,海平面上升形成潮汐,潮汐因地球自转脱离月球引力的方向,但受月球引力影响对地球产生了阻力,从而逐渐减慢了地球的自转速度。

近年日长变化图表     

图片注解:

灰线:每日日长与太阳日(86400秒)的偏差

绿线:年均偏差

红线:引入“闰秒“概念后的累计偏差

红点:协调世界时(UTC)系统中的闰秒

(图片出处:维基百科)

 

(图片源自网络)

但精确的实时日长数据并不足以说明日长的长期变化趋势,因此科学家们还需要测量古代的日长。

古代的日长很难测量。因为这一段时期介于近代与地质时期之间,我们的祖先还没有精确的计时工具,无法衡量日长变化,另外日长取决于地球自转速度,对我们的祖先来说,比较日长就更加成了不可能的事。不过没有精确的钟表倒也没有妨碍我们的祖先成为出色的天文学家。他们成功地观测到并记录下了日食之类的月掩星现象及其它天文事件,这帮了科学家们很大的忙。观测到这些天文事件并不容易,主要取决于观测者身处何地、所处何时。举例来说,如果一个城市的天文学家能在某个夜晚看到月亮经过一颗恒星,那么附近城市的天文学家在同一时刻就只能看到月亮在星星旁边经过的样子。

科学家们根据地月轨道运动计算得到祖先所记录的天文事件的实际发生时间,然后将之与观测记录加以比较,得出了这些天文事件发生的准确时间和确切地点。然后他们再拟合所有历史观测事件的准确信息,最终计算出日长的平均增量,即每个世纪大约为1.8毫秒。

有一点大家可能不会注意,科学家们从那些历史资料中计算出了日长的平均增量,这相当了不起。这些历史资料前后跨越两千五百年,由不同的语言写成,并且被保存在世界各地,因此为了把它们收集到一起然后验证它们,科学家们付出的努力是常人难以想象的。

另一点需要说明的是,1.8毫秒这个增长速度实际低于月球潮汐引力作用下的理论速度(约2.3毫秒/世纪)。 其原因可能是由于地球的整体形态发生了变化。众所周知,自上个冰期(大约1万年前)以来,冰川逐渐消融,地球两极受到来自冰盖的压力有所减小,地壳就会处于弹回原处的状态,地球会变得更圆,从而抑制日长的增加。

(图片源自网络)

纵观科学家为测量日长做出的不懈努力,感谢之余,小编再插一句,与历史对话,仔细聆听历史的声音,我们也可以追踪时间的脚步。

编译:飞果

 

Brian Koberlein简介: Brian Koberlein是罗彻斯特理工学院(Rochester Institute of Technology,简称RIT)的天体物理学家和物理学教授,致力于向大众展示最前沿的专业动态,并表达自己在天文物理方面的见解。其撰文主要依据大多为同行评议的期刊论文,文章主要刊载于博客网站“一时一宇宙(One Universe at a Time)”之上,另外在脸书(Facebook)、推特(Twitter)、油管(Youtube)等社交媒体上均有账号。

 

参考论文:

【题目】Measurement of the Earth’s rotation: 720 BC to AD 2015.

【作者】F. R. Stephenson, L. V. Morrison, C. Y. Hohenkerk

【期刊】Proceedings of the Royal Society A

【日期】7 December 2016

DOI10.1098/rspa.2016.0404 (2016)

【摘要】New compilations of records of ancient and medieval eclipses in the period 720 BC to AD 1600, and of lunar occultations of stars in AD 1600–2015, are analysed to investigate variations in the Earth’s rate of rotation. It is found that the rate of rotation departs from uniformity, such that the change in the length of the mean solar day (lod) increases at an average rate of +1.8ms per century. This is significantly less than the rate predicted on the basis of tidal friction, which is +2.3ms per century. Besides this linear change in the lod, there are fluctuations about this trend on time scales of decades to centuries. A power spectral density analysis of fluctuations in the range 2–30 years follows a power law with exponent 1.3, and there is evidence of increased power at a period of 6 years. There is some indication of an oscillation in the lod with a period of roughly 1500 years. Our measurements of the Earth’s rotation for the period 720 BC to AD 2015 set firm boundaries for future work on post-glacial rebound and core–mantle coupling which are invoked to explain the departures from tidal friction.

【原文链接】http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/472/2196/20160404

 

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