与时俱进的时间工作

　　1　序　言

　　随着上个世纪后半叶现代量子频标的问世和空间技术的发展,时间工作(测时、守时和授时)从传统上属于实用天文学的一个分支发展到远远超出天文学的传统范畴,成为应用物理学、天文学、空间科学、信息科学和计量测试技术等等多领域的交叉学科。人类社会已经进入了信息时代和计算机时代,信息在计算机和信息系统中几乎都以光的速度传递,精密定时已经处于信息流管理的心脏地位。现代量子频标的采用大大提高了时频计量的准确度,从而使时频计量成为其它量值计量向着量子基准转化的先导,1983年第17届CGPM会议的决议中重新定义了“米长”[1](光在真空中1/299 792 458秒(3.3356ns)所传播的距离)就是一个最好的例证。可以预见,所有与技术发展有关的计量基本单位最终将朔源到“秒”,任何量值计量能转换为时间频率计量,就可极大地提高其准确度。高精度时间频率的应用范围是如此的广阔,它激励了时间频率学科领域本身的飞速发展,以满足应用的需求。时间尺度的发展和SI秒长定义的改变、UT1的测量从经典的光学天体测量仪器到多种空间技术的应用、频标从石英晶体振荡器到铯喷泉、时间传递和同步技术从利用地面短波时号到卫星时间信号、授时技术从短波无线电通讯到多手段的服务、脉冲星定时技术的出现为时间尺度的研究开辟了一个新的领域,所有这些都是在过去的半个多世纪中时间频率领域里理论和技术的发展。本文将简要介绍这些进展,并展望时频领域学科和技术的未来。

　　2　时间尺度和秒定义

　　过去的50多年中,由于原子时的出现,时间尺度分成了两种类型[2]。一种是integratedtime scale,另外一种是dynamic time scale。前者的时间尺度的构成是根据约定来固定时间尺度的起点,由某种物理现象来定义其时间单位,时间单位无终止的连续积累就构成了时间轴。后者则是通过对一个动力学物理系统的观测,用数学模型来描述该系统,时间是该模型中说明该系统结构的一个无二义性的参数。半个多世纪中,人们定义了几种新的时间尺度,从单一的UT发展到ET、TT、TAI和UTC,SI秒的定义也随之改变,每一次的改变都意味着科学技术的发展对准确度改进的需求从UT秒到TAI秒,准确度提高了5个数量级。

　　在1972年以前,世界时UT1作为一种参考时间而为国际公认,它是法定时间的基础。在1960年以前,SI秒的定义是一个平太阳日的1/86 400。天文学家估计这个秒定义通过10年的天文观测、分析和平均可以实现10-9量级的准确度。1960年到1967年SI秒的定义是1900年1月0日历书时(ET)12h时一个回归年长度的1/31 556 925.974 7(ET秒),ET是以地球绕太阳的轨道运动为基础的天文时间尺度,1967年以后,ET在天文应用中继续沿用到1977年,在这之后,它被地球力学时(TDT)替代,TDT在1991年又被地球时(TT)替代。从1955年开始就有了TAI,其单位称作原子时秒,从1967年起SI秒的定义采用原子时秒,具体为Cs133原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9 192 631 770周所持续的时间。