說明:
秒是一個國際單位,也叫銫秒,固定爲銫-133原子基態兩個超精細能級間躍遷輻射9,192,631,770周所持續的時間。
天也是一個時間長度單位,但是在不同的時間標準裏,一天的長度是不同的。
1 時間是個啥
古人很自然的發現太陽有規律的升起與落下,於是把太陽的升落週期稱作一天,把草木的生死週期稱作一年。而這一切都是圍繞太陽而產生的,也就是說時間是人們對太陽的感覺。今天,我們知道了,晝夜交替和四季變化都是地球自轉和公轉的結果。
對於太陽的測量是幾乎所有曆法的基礎,然而不同地方的人測量的方法、精度並不相同,這樣就會導致不同的歷法。爲了便於全世界交流必須統一曆法,也就是要建立一個統一的時間標準。
2 時間標準(時標)
如果不同地方採用不同的時間計量規範,必然導致交流的不便。爲此,世界各國相互合作,達成一種統一標準的時間計量方式。一個時間標準必須要確定:
- 時間起始點;
- 一天的長度;
2.1 基於太陽觀測(地球自轉)的世界時UT0,UT1,UT2
由於地球軌道並非圓形,其運行速度又隨着地球與太陽的距離改變而出現變化,因此視太陽時欠缺均勻性。視太陽日的長度同時亦受到地球 自轉軸相對軌道面的傾斜度所影響。爲着要糾正上述的不均勻性,天文學家計算地球非圓形軌跡與極軸傾斜對視太陽時的效應。平太陽時就是 指經修訂後的視太陽時。在格林尼治子午線上的平太陽時稱爲世界時(UT0),又叫格林尼治平時(GMT)。
隨着較爲精確的時鐘面世,天文學家發現在不同地點量度的世界時出現差別。 這種差別是由於地軸擺動而引起的。各地天文臺詳細測量了地軸擺動的影響後,制定了一種稱爲 UT1 的新時標將這種影響刪除。
在時鐘的精確度進一步改進後,又發現 UT1 具有週期性變化。這種變化是由地球自轉率的季節性變動引起的。上述影響經修正後, 得到一種更加均勻的時標稱爲 UT2。
由於地球自轉的不完美,導致每天的時間長度並不完全相同。
UT的一秒長度也是採用了銫秒,這樣就導致了有時候一天有86400秒,有時候有86401銫秒。
2.2 基於原子鐘的國際原子時TAI
TAI(International Atomic Time)世界原子時。這種時間標準是隨着原子鐘的出現而被髮明的。1967年的第13屆國際度量衡會議上通過了該項決議。
TAI把時間起始點定在GMT的1958年1月1日0時0分0秒,並規定一秒(銫秒)的長度固定爲銫-133原子基態兩個超精細能級間躍遷輻射9,192,631,770周所持續的時間。同理,TAI把一天嚴格定義爲86400銫秒。
原子時標的準確度爲每日數納秒,而世界時的準確度則只爲數毫秒。
2.3 我們生活工作中真正實際使用的協調世界時UTC
雖然TAI連續均勻並且非常準確,但是卻不太適合人們生活工作中使用,因爲它脫離了地球自轉,也就脫離了人們熟悉的白天與黑夜等非常重要的感知世界。由於地球自轉越來越慢,而TAI的秒長度是固定不變的,所以TAI的時間會比天文時間越來越快。舉個不精確的例子,1958年1月1日0點0分0秒,TAI和UT1是重合的,然後地球公轉了10周(過了天文10年)後,UT自然是1968年1月1日0點0分0秒。而此時,TAI卻是1968年1月1日0時0分10秒了。別看這短短的10秒,日積月累,最後將會產生很大的影響,若干年後TAI可能會比UT1快出2個小時。如果把TAI直接作爲生活中的時間,將來太陽升起的時間將不會是6點,而是變成了8點。這勢必會造成人們感覺的迷茫。
UT1貼近人們的生活,卻不太精確;TAI精確卻不太貼近生活。爲此,UTC(協調世界時)作爲一種折中的時間標準被提了出來,並應用於人們的日常工作生活中,也就是說,我們平時手機、手錶上顯示的時間都是基於UTC的。
UTC本身基於TAI,但是會不定期根據UT1進行整秒修正,以達到UTC與UT1相差不超過0.9秒的效果。簡單來說,UTC的起始時刻、秒長度與TAI一樣,但是不定期會增加或者減少1秒,以達到和UT1相差少於0.9秒的目的。這個增加或減少的1秒就叫做“閏秒”。
位於巴黎的國際地球自轉事務中央局負責決定何時加入閏秒。一般會在(0時區)每年的6月30日、12月31日的最後一秒進行調整。當增加一個閏秒時,就會出現像2015年6月30日23時59分60秒這樣的奇特現象。
下面是截至2016年歷史上出現過的閏秒。
引入日期 正/負秒 TAI-UTC (秒)
1972年1月1日 正 10.0
1972年7月1日 正 11.0
1973年1月1日 正 12.0
1974年1月1日 正 13.0
1975年1月1日 正 14.0
1976年1月1日 正 15.0
1977年1月1日 正 16.0
1978年1月1日 正 17.0
1979年1月1日 正 18.0
1980年1月1日 正 19.0
1981年7月1日 正 20.0
1982年7月1日 正 21.0
1983年7月1日 正 22.0
1985年7月1日 正 23.0
1988年1月1日 正 24.0
1990年1月1日 正 25.0
1991年1月1日 正 26.0
1992年7月1日 正 27.0
1993年7月1日 正 28.0
1994年7月1日 正 29.0
1996年1月1日 正 30.0
1997年7月1日 正 31.0
1999年1月1日 正 32.0
2006年1月1日 正 33.0
2009年1月1日 正 34.0
2012年7月1日 正 35.0
2015年7月1日 正 36.0
可以看出,目前TAI已經比UTC快了36秒,同樣也比UT大概快了36秒。
3 授時服務
既然全世界的人們已經都同意使用UTC作爲時間標準了,那麼彼此溝通就簡單多了。可是,作爲實際使用時間的每個人如何獲得這個UTC時間呢?這就是UTC授時服務。
每個國家都有專門的機構來提供UTC授時服務,一般由這個國家的天文臺負責實施。各國天文臺從地球自轉事務管理局取得UTC,然後通過各種途徑向個人和機構授時。
我國官方授時機構爲中國科學院國家授時中心(www.ntsc.ac.cn)。
互聯網
網路時間協議NTP是互聯網上的一種標準協議,目前存在很多的時間服務器,既包括國家天文臺設立的服務器如,也包括一些大公司如微軟設立的服務器time.windows.com。
目前主要操作系統都提供自動校時軟件,Windows甚至把校時服務作爲內嵌功能。無線電波
一般提供長波、短波等授時信號,學過航海的同學一般都有過在船上拿着收音機收聽授時信號的經歷。衛星
GPS,北斗系統都提供授時功能。手機
移動電話基站提供授時功能
4 Unix時間戳
Unix時間戳以UTC爲基礎,並以UTC的1970年1月1日0點0分0秒爲起始時刻。每當UTC增加一秒,Unix時間戳就加1,當遇到閏秒的時候,則不加1。所以說,Unix時間戳並不是記錄真正的銫秒數。時間戳的1個間隔相當於1天的86400分之一,而不管這一天到底多長。
如:
這樣就會導致一個問題,也就是同一個Unix時間戳可能對應於兩個UTC時間點。也就是說根據Unix時間戳不能識別出閏秒增加的時刻。