原子钟是如何设定的?

时间:2021-08-11 09:09:31   作者:
像所有的时钟一样,原子钟是一种有规律周期的计数器。每个原子钟都在做同样的事情。它计算一个充满能量的铯-137原子发出的能量脉冲数。

每9192631770次脉冲,时钟就宣布一秒过去了。但是相对于什么呢?根据我的解释,这就是你问题的实质。让我们找出答案。

简单的回答是:原子钟被设定到一个任意选择的零点,然后简单地计算从那里开始的秒数。地球上所有原子钟的平均值决定了国际原子时,从那里我们定义了其他计时标准,包括UTC,我们在所有计算机系统上运行的时间系统。所有的原子钟都有助于我们熟知的国际原子时(TAI)的计时标准。这个首字母缩略词来自法语名称temps atomique international。

为了了解国际原子时的准线,我们必须先回到原子钟出现之前。在工业革命之前,地球上所有的计时都是基于太阳的,每个城市的计时方式都不一样,因为每个城市观测太阳正午的时间相对于另一个城市是不同的。一旦技术发展到我们可以快速地从一个城市旅行到另一个城市,这就成了一个问题。

原子钟是如何设定的?

铁路使旅行更快,但与马车不同的是,如果只有一条铁轨连接两个城镇,火车不能靠边让对方的火车通过。即使在有多条铁轨的地方,如果没有长长的图表来描述出发地和目的地的时间,火车也很难准时到达。纽约是早上10点,波士顿是10点12分。根据经验,两个城市相距每隔一个经度,时间就相差4分钟。更东边的城市拥有更先进的时代。为此,我们制定了时区。它们让我们可以避免相邻城市的时差。美国将其相邻领土划分为四个时区,每个时区间隔一小时。尽管这极大地改善了交通和通讯,以至于我们今天仍然保留着这些标准,但它们仍然是基于从太阳开始的时间。

这在当时并不重要,但一旦世界发展得更快(飞机、无线电通信、卫星、互联网),我们就不能再依赖地球和太阳了。地球的旋转运动并不是恒定的。它加速,它减速。这对今天的计算机系统有不可避免的影响。光速可能很快,但当距离很广时,例如从卫星到地面站,光速就不够快了。轨道上的卫星也会受到时间膨胀的影响,因为它们离地球的质心更远,并且由于它们的轨道处于高速自由落体状态。

作为广义相对论和狭义相对论的结果,我们不能依赖太阳时。即使是一次地震也能改变地球,使一天变长或缩短一到两微秒。世界上最大的水坝改变了一天的长度。这就是原子钟重要的原因。它们的精确程度足以让时间达到每1亿年惊人的1秒损失/增加。猜您对关于原子的文章十分感兴趣:电子是如何绕着原子核旋转的?

1948年,国际天文学联合会(IAU)创造了所谓的星历时间(ET)。星历表是天体运行轨迹的轨迹。在这种情况下,我们指的是地球自转周期。ET的目标是拥有一个统一的时间,不受地球不一致自转的影响。所有的计时标准都需要建立两件事。第一个是系统的基本单位持续多长时间。第二个问题是时间相对于哪个时间点保持。

在星历时间中,秒被定义为1900.0时回归年的1/31556925.975。回归年是指太阳回到一年前的位置所需要的时间。这与地球绕太阳公转一圈的时间略有不同,因为春分岁差(地球轨道偏移)。因为在这段时间之间大约有31,556,925.975秒,所以选择这个精确的数字来将回归年除以秒。正如你所看到的,它仍然以太阳为基础,但听起来它仍然会受到地球变化的影响。

这就是所谓的新纪元,没有任何错误的时代。零时间,如果你愿意的话。他们选择1900.0作为零时,这是1900年(1899年12月31日)第0天午夜的天文符号。原子钟一旦建成,它们就能记录自那个时代以来已经过去的秒数。只有一个问题。几年过去了,原子钟彼此不一致。这是因为并不是所有装有原子钟的城市都受到相同强度的重力的影响。有些在海拔较高的地方,有些在海拔较低的地方。有些建在周围有很多山和密集岩石的城市里,有些建在松软的土壤平原上。

据确定,因为基本上每个时钟都在海平面以上,TAI的速度慢了大约一万亿分之一。取而代之的是,国际原子时是每个原子钟计算时间的加权平均值。通过GPS信号平均使TAI比任何单个时钟都要精确一个数量级,尽管它仍在漂移。因此,不同的计时标准被开发出来。一个叫做重心协调时间(TCB来自temps-coordonnée Barycentric)。它告诉相对于一个理论时钟的时间,这个时钟的运动与太阳系相同,但不在其引力范围内。用科学的术语来说,它相当于一个时钟在与太阳系的重心共同运动的坐标系中静止时的固有时间。

根据TAI,这个标准被定义为在1977年1月1日的午夜加上32.184秒,与1977年1月1日的午夜加上0.000秒完全相同。在这之后,TAI被修正为引力时间膨胀。以类似的方式,所有后续的计时规范都必须相对于先前存在的规范进行定义。

另一个是地心协调时间(TCG来自temps-coordonnée géocentrique)。它的行为与TCB完全相同,但使用地球作为参考点,并使用相同的32.184秒间隔。TCB和TCG的区别在于如何保持时间。随着时间的推移,TCG的运行速度每年会比TCB慢0.5秒,这是由于地球的轨道不是完美的圆形。

下一个需要定义的标准是TT,即地球时间。

它与儒略时间有关,儒略时间是以前的太阳标准时间,公式如下:

原子钟是如何设定的?

和前两个一样,这是一个理论上的理想,并没有在物理上实现。所以,我们必须用原子钟来计算它,它直接决定了TAI。重申一下,TAI是指从1977年1月1日午夜到本初子午线已经经过了多少秒。最后,由于空间和地球之间的时间膨胀以及地球自转不一致,我们定义了协调世界时(UTC)。这个缩写是英语CUT和法语TUC (temps universel coordonné)之间的折衷。UTC受闰秒的影响,即由于地球自转变慢,地球上所有的时钟都增加了一秒。最近一次闰秒发生在2016年12月31日23:59:60。这就是我们计时系统的不足之处。
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