時(shí)間計(jì)量精度提升的意義何在?
時(shí)間:2017-06-27
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從古到今,時(shí)間計(jì)量精度的不斷提升給民眾生活需求及國(guó)家活動(dòng)帶來(lái)了哪些影響?
日常生活中,1秒的時(shí)間已非常短暫,時(shí)間精確到一秒已經(jīng)足夠了,例如公司上班打卡,學(xué)校上課下課鈴聲,考試交卷的鈴聲,再說(shuō)到購(gòu)物中雙十一秒殺等等。
可在某些領(lǐng)域, 用秒來(lái)計(jì)量時(shí)間,又太長(zhǎng)。在我們的體育賽事中,運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)需要精確到百分之一秒,也就是說(shuō)0.01秒的差距就決定著冠軍的歸屬;出行的交通工具中,如汽車、飛機(jī),其發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)千周, 為改變發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率,提高其運(yùn)行的速度,時(shí)間測(cè)量要精確到0.01秒。
對(duì)于科研活動(dòng),隨著時(shí)間頻率測(cè)量精度的提高,人們可以更深層次地探索自然規(guī)律,推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步。如里德堡常數(shù)的測(cè)量、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的穩(wěn)定性測(cè)量、朗德因子的測(cè)量、荷質(zhì)比的測(cè)量、引力紅移的測(cè)量、引力波探測(cè)等,其精度都直接取決于時(shí)間頻率的測(cè)量精度。
這些測(cè)量和研究都是檢驗(yàn)物理學(xué)基本理論(相對(duì)論、量子電動(dòng)力學(xué)、引力場(chǎng)理論等)的重要方法,例如,通過(guò)測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間變化檢驗(yàn)廣義相對(duì)論,需要頻率測(cè)量精度優(yōu)于10-17;通過(guò)激光干涉檢驗(yàn)引力波的存在,需要頻率測(cè)量精度優(yōu)于10-18。
此外,人們還通過(guò)將其它物理量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)間頻率的測(cè)量,間接實(shí)現(xiàn)對(duì)其它物理量測(cè)量精度的提高。目前已經(jīng)完成了長(zhǎng)度、電流、電壓、發(fā)光強(qiáng)度和溫度等物理量單位的定義或測(cè)量的轉(zhuǎn)換。
對(duì)于國(guó)家活動(dòng),以衛(wèi)星導(dǎo)航為例,為提高GPS的精度,必須統(tǒng)一“鐘表”的時(shí)間。但是即使精度達(dá)到三萬(wàn)年有一秒誤差的原子鐘,由于相對(duì)論效應(yīng),都會(huì)與地面時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)間差,最終影響到GPS的定位效果。根據(jù)狹義相對(duì)論,因?yàn)槿嗽煨l(wèi)星在運(yùn)動(dòng),所以從地面上看時(shí)間過(guò)得慢,由于與光速相比人造衛(wèi)星的飛行速度慢而存在一點(diǎn)誤差,搭載人造衛(wèi)星的時(shí)鐘也會(huì)比地面鐘每天慢7微秒。
之外,再根據(jù)廣義相對(duì)論,引力越強(qiáng)時(shí)間過(guò)得越慢。宇宙空間站的轉(zhuǎn)速越快,也就是其內(nèi)部的人造引力越大,時(shí)間的變慢程度就越大。相反,從引力強(qiáng)的地方到引力弱的地方,看上去時(shí)間會(huì)變快。因此從地球表面看,受到地球弱引力的人造衛(wèi)星上搭載的時(shí)鐘走得快。
這里的誤差為每天快46微秒,減去狹義相對(duì)論效應(yīng)產(chǎn)生的人造衛(wèi)星時(shí)間滯后7微秒,人造衛(wèi)星的時(shí)鐘每天快39微秒。這個(gè)時(shí)間差對(duì)于GPS影響很大,距離的誤差等于時(shí)間的誤差乘以光速,僅僅39微秒的時(shí)間差導(dǎo)致GPS定位上出現(xiàn)12千米的誤差,導(dǎo)致GPS無(wú)法應(yīng)用,無(wú)法起到導(dǎo)航的作用。不過(guò)我們根據(jù)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論對(duì)這一誤差進(jìn)行修正,使人造衛(wèi)星和地面時(shí)鐘一致,便可放心使用GPS。
如今,伴隨著綜合國(guó)力的強(qiáng)大,中國(guó)已經(jīng)在世界上起著舉足輕重的作用。我國(guó)授時(shí)也在以跨越式的速度發(fā)展,以便為我們國(guó)家的科研及民生提供最基本的時(shí)間保障,也衷心祝愿2016年里,我們都能珍惜時(shí)間,度過(guò)美妙的一年。