书城科普时光机器:隐藏在时间中的科学
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第34章 精确的原子钟

在现代科学技术飞跃发展的今天,原子能、航天技术和高能物理对时间的计量要求更加精密。一些同位素和各种粒子在百亿分之一秒内就蜕变。现代电子计算机在几千万分之一秒、几亿分之一秒,甚至十几亿分之一秒内要进行计算。

现代技术需要有一种更精确的国际标准时间。因为,如要有一秒钟误差,用六分仪导航的海员就可能产生1/4英里的偏差;相差1‰秒,宇宙飞船能飞出10米;每一秒钟,电子计算机可运算80万次……格林威治时间已不够精确,可是它已在世界上用惯了,需要有一个折衷办法来解决。

从60年代开始,国际时间局决定了世界协调的时间,使时间既保证了均匀性,又能反映出地球自转的特点。国际天文学界于1967年定义了原子秒,引进了原子时的计时系统。1967年,国际计量大会确定的秒长定义是“秒(S)是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃进所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间”。这就是说,原子钟采用了铯原子内部的某一运动状态计量时间。

原子钟是世界上最准确的钟。原来,原子内部的电子在跃迁时会辐射出电磁波,而它的跃迁频率是极其稳定的。利用这种电磁波来控制电子振荡器,从而控制钟的走时,这就是原子钟。

国际规定,在1958年元旦零时,原子时同世界时一致,而同历书时相差32.15秒。这叫国际原子时,记作TAT。

从1972年元旦零时起,它通过专用无线电台广播世界时,由TAT改为协调世界时,记作UTC。所谓协调世界时,就是经过国际原子时协调的世界时。它既不同于国际原子时,又不同于原子的世界时。但是,它同国际原子时的差值,总是完整的秒数;它同TAT的差值,总是在0.9秒以内。

原子时能提供均匀的时间间隔,提供标准的秒长,这可以符合无线电、物理学等方面的需要,用它来量度时段是十分精确的。原子钟计算基本粒子“介子”的寿命约0.000002秒;蜜蜂鼓动翅膀一次约需0.005秒;宇宙飞船飞往月球时,每秒飞行了10公里;光在真空中每29992458分之一秒所走的距离是1个标准米。

协调世界时的秒长严格等于原子时的秒长,当它的时刻与世界时的时刻差超过0.9秒的时候,就在世界时上引进一个闰秒。

为了协调世界各国的时间计量工作,在法国巴黎设立了国际时间局。它保持着国际原子时尺度,并且为各国的授时中心提供准确的时间数据。

国际时间局每年进行两次调整,并通过标准时间电台向世界各地发射标准时间信号。增1秒叫正闰秒,减少1秒叫负闰秒。这样,可以把格林威治时间产生的误差调整过来。1979年除夕和1981年6月30日,世界时分别增加了1“闰秒”的修正时间,时间老人两次都迟到了。

这就是目前民用的世界时,也是天文测量、大地测量和人造卫星跟踪等工作所用的时间。

世界第一架原子钟——氨钟,是美国国家标准局于1949年制成的,这标志着时间计量和导时进入了新纪元。随后的十几年中,原子钟技术有了很大发展,先后又制成了铷钟、铯钟、氢钟等。到了1992年,原子钟已在世界上普遍使用。我国先后制成了铷原子钟和氢原子钟,在计时方面跨入了世界先进行列。