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科學(xué)家怎么對表? 從用月亮、木星到用衛(wèi)星 精度越來越高

 quasiceo 2016-07-13
投遞人 itwriter 發(fā)布于 2016-07-13 14:33 評論(0) 有268人閱讀 原文鏈接 [收藏] ? ?

  目前,應(yīng)用最廣的時(shí)間比對方法是共視時(shí)間比對,可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地方原子鐘之間納秒級(jí)的時(shí)間比對。

  其實(shí),早在公元前一百多年,人們就掌握了共視時(shí)間比對的方法,那時(shí)候共視的媒介是月亮,后來,隨著技術(shù)的發(fā)展,共視媒介發(fā)展到木星、流星、衛(wèi)星等,精度和方便性逐步提高。

  這里,我們用一個(gè)不太真實(shí)的故事給大家展現(xiàn)真實(shí)的科學(xué)道理。

  “但愿人長久,千里共嬋娟?!碧K軾的這句詩流傳千古,不知道詩人知道不,這句詩道出了共視時(shí)間比對的真諦:兩個(gè)地方看同一個(gè)物體。

  在古代,張家村的張三要和李家村李四想對一下表,他們怎么才能實(shí)現(xiàn)呢?張三拿上表,跑到李四家里,把兩個(gè)表放在一起,直接比較表上的讀數(shù)就可以了。這是最笨的對表方法,因?yàn)樗麄冇玫谋砗苤?,光搬鐘張三就要費(fèi)上牛勁,在路上還得小心翼翼,表顛壞就麻煩了,最慘的是,張三去對表這一段時(shí)間,張三家人就看不到時(shí)間了。想到這些問題,張三就不想去對表了。

  多虧有古希臘的學(xué)者喜卡珀斯,他在公元前 160 年就為張三想好了對表的方法。他說:“利用共視很簡單,根本沒有那么麻煩,你們即使不見面也能對表?!?nbsp;

  在月食發(fā)生的時(shí)候,張三和李四同時(shí)觀看這月食,等月食開始的那一刻,兩個(gè)人都記下自己表的時(shí)間。張三記下是九點(diǎn),寫一了一個(gè)紙條,派自己的大黃狗送到李四家里,李四發(fā)現(xiàn)月食開始時(shí)自己的表是八點(diǎn),因?yàn)閺埣掖搴屠罴掖宓脑率呈峭瑫r(shí)開始的,李四非常容易的就知道張三的表快一個(gè)小時(shí)。

共視時(shí)間比對要觀測同一個(gè)天象
共視時(shí)間比對要觀測同一個(gè)天象

  這就是共視時(shí)間比對的方法,兩地分別記下觀察到一個(gè)現(xiàn)象的本地時(shí)間,然后交換數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)兩地的時(shí)間比對。這里,月食什么時(shí)候發(fā)生不重要,重要的是月亮的光線同時(shí)到達(dá)張三和李四處,并且兩個(gè)人記下發(fā)生時(shí)刻所用的時(shí)間是相等的。

  張三和李四很高興,因?yàn)樗麄冋业搅艘环N測量經(jīng)度的方法。地球 24 小時(shí)轉(zhuǎn) 360 度,一小時(shí)轉(zhuǎn) 15 度,他們兩個(gè)都把太陽最高的時(shí)刻定為中午 12 點(diǎn),通過共視測得兩個(gè)地方本地時(shí)間的偏差,通過簡單的運(yùn)算就知道兩個(gè)地方的經(jīng)度差。 

  但是,沒過多久,張三和李四就發(fā)現(xiàn)問題了,月食發(fā)生的太少,他們需要等一年甚至兩年才能對一次表。

  上帝讓伽利略解決了這個(gè)問題,伽利略在公元 1622 年想到了解決的辦法,他告訴張三:不用月食,用木星衛(wèi)星食。

  木星有四顆衛(wèi)星,這四顆衛(wèi)星以很高的速度繞著木星公轉(zhuǎn),木星的衛(wèi)星一年要發(fā)生一千多次衛(wèi)星食,因此算下來的話每天總會(huì)發(fā)生兩次或三次,而且這種衛(wèi)星食也有一定規(guī)律。伽利略編制了近似準(zhǔn)確的木星衛(wèi)星食發(fā)生表,供人們使用。

  這解決了張三和李四的對表問題,雖然他們明白,木星衛(wèi)星在海上很難觀測,但他們在陸地上,伽利略的方法是可以用的。后來,張三和李四還把這種方法推薦給巴黎天文臺(tái)。巴黎天文臺(tái)用這種方法在地球上觀測各地的經(jīng)度,取得了極大的成功,成為名震一時(shí)的研究機(jī)構(gòu)。

  在用著共視方法進(jìn)行對表的過程中,張三和李四也沒閑著,他們一直在關(guān)注共視方法的發(fā)展,并且發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)大事件。

  第一件事發(fā)生在 19 世紀(jì)中葉,利用流星作為共視媒介,天文學(xué)家測量了相距 480 公里的意大利的西西里島和萊切之間的經(jīng)度差,精度 4 角秒 。

  第二件事發(fā)生在 1955 年到 1958 年,美國華盛頓的海軍天文臺(tái)和英國特丁頓的國家物理研究所同時(shí)測量華盛頓的 WWV 電臺(tái)時(shí)間信號(hào)。海軍天文臺(tái)測量 WWV 時(shí)間與世界時(shí)的偏差,國家物理研究所測量 WWV 時(shí)間與他們新研制的銫原子鐘時(shí)間的偏差,相減就得到世界時(shí)與銫原子鐘時(shí)間的偏差。根據(jù)共視測量結(jié)果,人們才知道世界時(shí)的秒長和原子時(shí)的秒長的對應(yīng)關(guān)系,把原子時(shí)的秒長定義為銫原子能級(jí)躍遷 9192631770 周所持續(xù)的時(shí)間。這就是現(xiàn)在秒定義的來源。

  張三和李四也關(guān)注到共視媒介的變化,包括:羅蘭C、廣播電視甚至是脈沖星的脈沖等等,等 1978 年 GPS 投入運(yùn)行后,他們一下子驚呆了,因?yàn)?GPS 作為共視媒介,可以將時(shí)間傳遞精度提高的 3ns 左右,這個(gè)完全超出了他們的想象。

導(dǎo)航衛(wèi)星共視
導(dǎo)航衛(wèi)星共視

  GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)在發(fā)射和接收端有一個(gè)明確的路徑,并且可以修正得基本相同,它是非常理想的共視參考信號(hào)。GPS 共視的性能比以前使用的羅蘭C共視的性能提高了 20~30 倍。GPS 共視技術(shù)一出現(xiàn)就被計(jì)算協(xié)調(diào)世界時(shí)的國際權(quán)度局(BIPM)所采用,直到今天都在使用這種方法。

  張三和李四深信,隨著科技的發(fā)展,必然會(huì)出現(xiàn)精度更高的共視媒介,共視時(shí)間比對的精度會(huì)越來越高。

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