时间简说：时间测量的基本模式

长期以来，时间测量是通过天文观测实现的。在观测精度低下的时代，人们视星际空间为真空平直空间，天体间的几何关系为欧几里得几何，天体运动遵循牛顿定律。因此，天文时间测量的理论基础是牛顿力学。

在16世纪，意大利天文学家伽利略揭示了时间的各向同性、均匀性和无限性等特征。在他的坐标变换中t=t′，表明自然界存在普适的、绝对的时间。牛顿总结包括伽利略在内的前人成果，创立了完整的经典力学体系，提出了人类历史上第一个科学的时空理论——绝对时空理论。牛顿把时间和空间分为绝对的和相对的2个范畴，认为绝对时间和绝对空间是抽象的，相对时间和相对空间是“可感的度量”；绝对时间等速流逝，与外界事物无关，与空间坐标无关。因此牛顿力学定律不受坐标变换的影响，即：

式中，ai为3个与坐标原点变化无关的任意常数。这个变换公式实际上还是伽利略坐标变换。它是一般意义上时间测量的理论依据。

20世纪初，爱因斯坦建立了相对论理论，否定了牛顿绝对时间概念。但是，它在时间计量学领域长期以来并未受到重视（当然这与对时间测量的精度要求有关），只是在某些科学研究中（例如天文学、宇宙学研究）得到了遵循。

原子钟问世以后，虽然原子时的理论基础是量子力学，但是在实际测量中，人们所依据的仍然是上述基本方程式，只是根据量子力学定律来表征函数φ（t），并在必要的时候考虑相对论效应的改正。

在所有物理量的测量中，时间测量的历史最为悠久。从上古人类为生存需要本能地观察某些自然现象，到自觉地制造测量器具，经历了漫长的粗犷时代。近代科学的兴起，为精密时间的测量开辟了广阔前景。尽管人类在漫漫时间长河中发明了各式各样巧夺天工的时间测量器具——时钟，但说来奇怪，直到今天，人类测量时间的基本模式，归纳起来只有2种。

（1）复制型模式。

这种模式以周期不变性为基础。中国古人有“日出而作，日入而息”的传统；古埃及人把尼罗河2次泛滥的时间间隔定为1年；游牧民族的先民们以草木枯荣记岁，等等。即使是以太阳东升西落计日，也不能说那个时代的人们已经学会观察天象并掌握其运动规律，他们只是把太阳升落、河水泛滥、草木枯荣同视为具有不变周期的自然现象，并“复制”这些周期“计时”，借以安排他们的起居和生存活动。(www.xing528.com)

中国古代发明的水钟，以及后来伽利略提出的摆的等时性原理，使复制型模式的测量发生了革命性变化：人造周期代替了自然现象周期。它为提高时间测量精度提供了广阔的活动舞台，随之而来出现了各种精巧的机械钟，进而出现了晶体振荡器，以及当今最高水平的分子和原子振荡器——分子钟和原子钟。

复制型时间测量的理论基础是周期不变性和可复制性原理。严格地说，前者是不成立的，不仅自然界中没有严格不变的周期运动现象，就是人造周期运动也会因为各种原因引进误差。至于可复制性，在一定精度范围内可以实现，但它必然受到复制对象、复制方法和复制工艺的制约，从而带有或多或少的复制“制作”误差。因此，复制型模式的关键问题是尽力保持周期——时间单位的稳定性和复制精度。这就是现代原子钟追求频率稳定度和复现性的理论原因。到1998年年底，高性能铯原子钟（如喷泉铯原子钟）提供的时间测量单位——秒的精确度已经达到10-15量级，人们期望通过观测毫秒脉冲星的辐射频率能够实现10-16量级的精确度。

（2）动力学模式。

动力学模式时间测量的理论基础是经典力学和天体力学。它依据的是人们对特定天体（例如地球）运动规律的认识和掌握，由此得到所谓天文时间标准。应该说，同复制模式测量相比，动力学模式的出现是一个进步，因为它的观测对象是客观性较强的、唯一的天体运动，这有利于建立全球统一的时间标准，有利于空间科学研究中时间坐标的转换。

但是，在20世纪50年代，人们发明了原子钟，随之出现了世界范围的原子时间计量标准，时间测量又回归于复制型模式。在这期间，天文学家和物理学家之间曾经发生过深刻的分歧。通过辩论，以相互让步的妥协使问题得以解决。

其实，这种妥协让步，特别是天文学家的妥协让步是明智的。因为就时间测量本身而言，天文时间的精度远不能与原子时的精度相比较。出现这一情况的关键在于，动力学测量依据的是以轨道力学为基础的星历表，观测对象是地球自转运动，或月球绕地球的轨道运动。星历表误差、地球自转不规则性，以及观测中地球大气等诸多因素的影响，使得天文时间标准的精度不可能有大幅度的提高。到20世纪60年代末，在前60年中，天文测时精度只有几倍的提高，仅仅达到10-9量级，远远落后于现代科学技术，特别是航天科学技术发展的需要。

在发现毫秒脉冲星之后，有些学者提出，随着轨道力学理论的完善和观测技术的进步，时间测量会不会有可能再回归到天文标准上来？这虽然是一个难于立刻做出肯定或者否定回答的问题，但是有一点似乎是清楚的，即脉冲星时间在相当长的时间内不可能真正取代原子时，从而给出可靠实用的时间尺度。