科学家怎么对表? 从用月亮、木星到用卫星 精度越来越高

2016年07月13日 10:14 新浪科技 微博
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 文章来源:科学大院 微信公众号

 作者:李孝辉(中国科学院国家授时中心)

  目前,应用最广的时间比对方法是共视时间比对,可以实现两个地方原子钟之间纳秒级的时间比对。

  其实,早在公元前一百多年,人们就掌握了共视时间比对的方法,那时候共视的媒介是月亮,后来,随着技术的发展,共视媒介发展到木星、流星、卫星等,精度和方便性逐步提高。

  这里,我们用一个不太真实的故事给大家展现真实的科学道理。

  “但愿人长久,千里共婵娟。”苏轼的这句诗流传千古,不知道诗人知道不,这句诗道出了共视时间比对的真谛:两个地方看同一个物体。

  在古代,张家村的张三要和李家村李四想对一下表,他们怎么才能实现呢?张三拿上表,跑到李四家里,把两个表放在一起,直接比较表上的读数就可以了。这是最笨的对表方法,因为他们用的表很重,光搬钟张三就要费上牛劲,在路上还得小心翼翼,表颠坏就麻烦了,最惨的是,张三去对表这一段时间,张三家人就看不到时间了。想到这些问题,张三就不想去对表了。

  多亏有古希腊的学者喜卡珀斯,他在公元前160年就为张三想好了对表的方法。他说:“利用共视很简单,根本没有那么麻烦,你们即使不见面也能对表。” 

  在月食发生的时候,张三和李四同时观看这月食,等月食开始的那一刻,两个人都记下自己表的时间。张三记下是九点,写一了一个纸条,派自己的大黄狗送到李四家里,李四发现月食开始时自己的表是八点,因为张家村和李家村的月食是同时开始的,李四非常容易的就知道张三的表快一个小时。

共视时间比对要观测同一个天象共视时间比对要观测同一个天象

  这就是共视时间比对的方法,两地分别记下观察到一个现象的本地时间,然后交换数据就可以实现两地的时间比对。这里,月食什么时候发生不重要,重要的是月亮的光线同时到达张三和李四处,并且两个人记下发生时刻所用的时间是相等的。

  张三和李四很高兴,因为他们找到了一种测量经度的方法。地球24小时转360度,一小时转15度,他们两个都把太阳最高的时刻定为中午12点,通过共视测得两个地方本地时间的偏差,通过简单的运算就知道两个地方的经度差。 

  但是,没过多久,张三和李四就发现问题了,月食发生的太少,他们需要等一年甚至两年才能对一次表。

  上帝让伽利略解决了这个问题,伽利略在公元1622年想到了解决的办法,他告诉张三:不用月食,用木星卫星食。

  木星有四颗卫星,这四颗卫星以很高的速度绕着木星公转,木星的卫星一年要发生一千多次卫星食,因此算下来的话每天总会发生两次或三次,而且这种卫星食也有一定规律。伽利略编制了近似准确的木星卫星食发生表,供人们使用。

  这解决了张三和李四的对表问题,虽然他们明白,木星卫星在海上很难观测,但他们在陆地上,伽利略的方法是可以用的。后来,张三和李四还把这种方法推荐给巴黎天文台。巴黎天文台用这种方法在地球上观测各地的经度,取得了极大的成功,成为名震一时的研究机构。

  在用着共视方法进行对表的过程中,张三和李四也没闲着,他们一直在关注共视方法的发展,并且发现了两个大事件。

  第一件事发生在19世纪中叶,利用流星作为共视媒介,天文学家测量了相距480公里的意大利的西西里岛和莱切之间的经度差,精度4角秒 。

  第二件事发生在1955年到1958年,美国华盛顿的海军天文台和英国特丁顿的国家物理研究所同时测量华盛顿的WWV电台时间信号。海军天文台测量WWV时间与世界时的偏差,国家物理研究所测量WWV时间与他们新研制的铯原子钟时间的偏差,相减就得到世界时与铯原子钟时间的偏差。根据共视测量结果,人们才知道世界时的秒长和原子时的秒长的对应关系,把原子时的秒长定义为铯原子能级跃迁9192631770周所持续的时间。这就是现在秒定义的来源。

  张三和李四也关注到共视媒介的变化,包括:罗兰C、广播电视甚至是脉冲星的脉冲等等,等1978年GPS投入运行后,他们一下子惊呆了,因为GPS作为共视媒介,可以将时间传递精度提高的3ns左右,这个完全超出了他们的想象。

导航卫星共视导航卫星共视

  GPS卫星发射的信号在发射和接收端有一个明确的路径,并且可以修正得基本相同,它是非常理想的共视参考信号。GPS共视的性能比以前使用的罗兰C共视的性能提高了20~30倍。GPS共视技术一出现就被计算协调世界时的国际权度局(BIPM)所采用,直到今天都在使用这种方法。

  张三和李四深信,随着科技的发展,必然会出现精度更高的共视媒介,共视时间比对的精度会越来越高。

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