時間尺度的物理學(xué)

羅一鳴

摘要： 物理學(xué)研究宇宙間物質(zhì)存在的各種基本形式，它們的性質(zhì)、運動、轉(zhuǎn)化及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而認(rèn)識這些結(jié)構(gòu)的組成及其相互作用、運動、轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。宇宙間物質(zhì)存在的基本形式是空間和時間，其中空間用以描述物體的位形;時間用以描述事件之間的順序。時間和空間的物理性質(zhì)主要通過他們與物體運動的各種聯(lián)系表現(xiàn)出來。本文略去物理學(xué)中空間的性質(zhì)，因為這與物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有關(guān)，既復(fù)雜，又很有用。本文著重介紹物理學(xué)與時間的一些內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：物理學(xué);時間;計量

人類對時間的認(rèn)識來源于對自然的觀察。天體運動造就了晝夜、月相、季節(jié)等有近似固定的周期，而在地球上生存與進化的生物體在進化過程中也形成了與天體運動相匹配與和諧的節(jié)律。為了使這些周期為人類所用，把握好農(nóng)業(yè)、祭祀、軍事等社會活動的時機，古人設(shè)置了復(fù)雜的歷法規(guī)則，創(chuàng)造了以年、月、日為標(biāo)度的民標(biāo)度時間體系。隨著科學(xué)的進步與人類認(rèn)識的提高，又進一步確定了以時、分、秒為標(biāo)度的短標(biāo)度時間體系。當(dāng)這些時間標(biāo)度被數(shù)學(xué)化、量化以后，人們對大自然觀察的時間就成為可以測量的時間。

時間的測量可以通過某種選定的物質(zhì)運動過程來進行。通常所說的時間計量實際上包含了兩個既有聯(lián)系又有差別的內(nèi)容。（1）時間間隔;（2）時刻的測定。時間間隔是指客觀物質(zhì)運動的兩個不同狀態(tài)之間所經(jīng)過的時間歷程;時刻是指客觀物質(zhì)在某一運動狀態(tài)的瞬間與時間坐標(biāo)軸原點之間的時間間隔。這里我們就民標(biāo)度時間體系的歷法和短標(biāo)度時間體系的時鐘分別作簡單介紹。

1長標(biāo)度時間體系

歷法是推算年、月、日的時間民度和它們之間關(guān)系而制定時間序列的法則。由于生產(chǎn)和生活的需要，古代人動腦筋研究晝夜、月相、季節(jié)變化的規(guī)律以及其計量方法，從而定出年、月、日的時間民度。

其中舊的民度是根據(jù)太陽每天的視運動定出的;“年”的日數(shù)和月數(shù)以及“月”的日數(shù)按觀察的天象定出，也有的是人為規(guī)定的。因為純粹按天象確定的年和月所包含的日數(shù)不是簡單的有理數(shù)，例如按季節(jié)變化的年（即日歸年）為365.24220日，按月相變化的月（即朔望月）為29.53059日，但制定歷法又必須使年的日數(shù)、月數(shù)和月的日數(shù)為整數(shù)，因此各國歷代制定的歷法側(cè)重各不相同，大體分為3類：第1類叫太陽歷，簡稱陽歷，公歷。以地球繞太陽公轉(zhuǎn)運動（其視運動是太陽在天球上的視位置東升西落）為基礎(chǔ)的時間單位稱為“年”。根據(jù)天球上不同的參考點計量的太陽周年視運動又可分為各種各樣的“年”，常用的有回歸年（365.24220日）、恒星年（365. 25636日）等。第2類叫太陰歷簡稱陰歷，以月球繞地球公轉(zhuǎn)運動為基礎(chǔ)的時間單位稱為“月”（朔望月）。國際上伊斯蘭國家和地區(qū)均采用陰歷，中國民間又稱為“回歷”，而中國民間通用的歷法稱為農(nóng)歷，則是以朔望月為月的單位，以回歸年為年的單位，故屬于“陽歷”，民間有人稱中國農(nóng)歷為陰歷，是一種誤傳，大概是受朔望月影響較深的緣故。農(nóng)歷中一年（回歸年）不是只有十二月（朔望月）過了兩、三年要增加一個月，叫閏月（總的說來過19年有7次閏月，比如2020年庚子年就要閏四月），這是因為農(nóng)歷中的朔望月12個月才有354日或355日，要比回歸年365日或366日少11日，故農(nóng)歷中會出現(xiàn)閏月。

由于回歸年時民為365. 2422日，比365日的整數(shù)民0. 2422日，故陽歷也有閏年，即每隔4年增加1日，這1日就放在二月份，因為二月只有28日逢到閏年（陽歷年分為4的整數(shù)倍，比如2020年），二月增加1日為29日，稱為閏年（比如2020年2月為29日），但4年一閏又讓0。 25大于0。 2422，故國際上又規(guī)定紀(jì)元為100整數(shù)倍的那一年要少閏一次，比如2000年雖然是4的整數(shù)倍，但不是閏年。

還要說明的是中國農(nóng)歷中還有二十四節(jié)氣，其實這節(jié)氣的日子是根據(jù)地球繞太陽公轉(zhuǎn)的位置來定的屬于農(nóng)歷中的陽歷范疇，與陰歷無關(guān)，故農(nóng)歷中二十四節(jié)氣在回歸年的12個月中位置相對固定，即每月上半月（一般是4-6日）有一節(jié)氣（或中氣），下半月（20日前后）有另一節(jié)氣。

中國歷法中叫干支紀(jì)年、干支紀(jì)日的歷法，它是以10個天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和12個地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥順序相配組成，從甲子、乙丑、丙寅、丁卯……直到癸亥，共六十序列通稱六十甲子，干支在中國歷法上占有重要地位，早在殷商時代就已使用六十干支來紀(jì)日，紀(jì)年，這在陽歷沒有傳入中國前是中國歷法中用來記載歷史事件的重要參照。古人還有單用地支來紀(jì)時間的，就是將1日均分為十二個時段：子時為現(xiàn)代的23點至1點，丑時為1點至3點，午時為11點至13點，亥時為21點至23點，簡稱為十二時辰。這種時間分段，在中醫(yī)養(yǎng)生中廣為應(yīng)用，這也是中華文化的又一瑰寶。

2短標(biāo)度時間體系

短標(biāo)度時間體系脫胎于民標(biāo)度時間體系，它源自生物體在進化過程中形成了與自然界節(jié)律相和諧的種種周期。人們把這些周期相匹配創(chuàng)造了與自然無象無關(guān)的更為實用的短標(biāo)度時間體系：時、分、秒。當(dāng)這些時間的短標(biāo)度被量化，被數(shù)學(xué)化以后，大自然的天文學(xué)時間就變成可以測度的時間。

到1583年伽利略發(fā)現(xiàn)了擺的等時性—擺的周期與擺民的平方根成正比（這是最原始的秒擺）。利用這一原理惠更斯于1657年制成了擺鐘，又于1675年發(fā)明了擺輪和游絲，使機械鐘的誤差減少到每天1 min以內(nèi)，也為新式鐘表的誕生鋪平了道路，其影響直到現(xiàn)在人們還都把鐘表與時間混同起來。

時間的單位是s（國際單位制中），最早是利用地球自轉(zhuǎn)運動來計時的，19世紀(jì)末，將一個平太陽日的1/86400作為is，被稱為世界時秒，由于地球自轉(zhuǎn)存在不規(guī)則變化并有民期減慢的趨勢。不能保持恒定，其準(zhǔn)確度只能達(dá)到10-9。這種計時方式實質(zhì)上是采用天文鐘，1967年國際計量大會采用艷133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷相對應(yīng)的輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間定義為1 s（艷原子鐘）稱為原子·秒，其精度達(dá)10 -13，這一進步充分體現(xiàn)了物理學(xué)對時間計量進步的貢獻。

進入21世紀(jì)，宇宙探索，航天事業(yè)發(fā)展，宇宙空間定位，對時間精度要求更高。當(dāng)數(shù)學(xué)的社會時間統(tǒng)一了世界，也切斷人與自然的聯(lián)系，人的個體行為必須與社會、集體確定的時間相協(xié)調(diào)，時間已成為人們生活的指揮棒。物理學(xué)中的時間取代了社會中的傳統(tǒng)權(quán)威，人沒有鐘表、不講時間將無法立足，無法生活，社會會立刻陷于癱瘓。

海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 海口 571158