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时间标准化与秒的定义

林一平手绘之佛莱明(Sandford Fleming)。

资通讯应用若采用分散式系统,不同电脑间的时钟同步就非常重要。

爱因斯坦思考时间与空间的整合理论,有别于牛顿的绝对且相互独立时间与空间。爱因斯坦不认为时间是独立空间之外的绝对物理单位。在他的广义及狭义相对论中提到时间膨胀(time dilation)效应,实时间不是绝对的单向流逝的正数增量,在时空的整合理论中,时间是一个向度,依照参考点的不同它既可以是负数,也可以是正数,特殊情况还能出现正负数叠加状态,而有变异时空的现象。

因此理论上,在不同条件下的观察者可以看到另一人事物的过去与未来,但是物理条件是观察者与被观察者必须在同一个时空参考点之惯性系统上且无加速的相对快速运动之下。这个理论部分被证实是正确的,后来也应用到全球定位系统(GPS),校正了高速绕行的卫星与地球表面的时间差而大大提升GPS定位的准确度。

今日的时间是如何标准化?加拿大的铁路工程师佛莱明(Sandford Fleming)首先提出标准时间系统(General System of Standard Times),将地球划分成24个时区,并以太平洋中的180度经线,作为地球上「今天」和「昨天」的分界线,称为国际换日线 (International Date Line)。

为了避免在一个国家中同时存在着两种日期,国际换日线并不是一条直线,而是折线。它北起北极,通过白令海峡、太平洋,直到南极。这样一来,换日线就不会穿过任何国家。这条在线的子夜,即地方时间零点,为日期的分界时间。按照规定,凡越过这条变更线时,日期就要发生变化:从东向西越过这条界线时,要加一天;而从西向东越过这条界线时,要减去一天,1884年国际经度会议采用了这套系统。

佛莱明将世界时间「大一统」的想法起因于火车时刻表,有一次来自两个不同时间城市的列车,由于时间没有协调好而相撞。身为加拿大太平洋铁路公司的铁路工程师,佛莱明决心想法子来解决问题。1876年,他成功的提出标准时间系统。

佛莱明的系统,知易行难,要将不同钟表同步,仍然是很困难的事。爱因斯坦在1902年担任伯恩瑞士专利局的助理监定员,从事电磁发明专利申请的技术监定工作。因此这类技术问题时常出现在爱因斯坦的思考,导致他作出关于光的性质与时空之间的基础关联的大胆结论,最后出现了相对论这种奇怪的理论。

1912年,中华民国依据将国土划分为五个时区。1949年后,两岸分治,但都选定比世界协调时 (Coordinated Universal Time; 简称UTC)快8小时,亦即UTC+8为其统治区域的标准时间。中华人民共和国政府将原先五个时区,合并为单一的北京时间。古代国内的标准时间则是随朝代而异。基本而言,各朝天文预测都是以首都(即是钦天监的观测点所在地)的经纬作为标准时间。今日有些算命程序仍把出生时辰转换成洛阳的标准时间,再以古书解释预测结果。

以往日晷显示的是「视太阳时」(Apparent Solar Time)。不幸的是,地球赤道面与公转轨道面倾斜,运行速度又会变化,「视太阳时」欠缺均匀性。自1924年2月5日开始,格林威治天文台每隔一小时会向全世界发放调时信息,是为格林威治标准时间(Greenwich Mean Time;GMT)。后来又发现地轴摆动,GMT也不很准,于是就以「原子时」(Atomic Time)为标准。

大部分读者大概不知「秒」的定义吧?根据1967年国际度量衡会议所颁布「秒」的天文定义,:「一秒为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。」

格林威治天文台。林一平提供

现为国立阳明交通大学资工系终身讲座教授暨华邦电子讲座,曾任科技部次长,为ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究兴趣为物联网、移动计算及系统模拟,发展出一套物联网系统IoTtalk,广泛应用于智能农业、智能教育、智能校园等领域/场域。兴趣多元,喜好艺术、绘画、写作,遨游于科技与人文间自得其乐,着有<闪文集>、<大桥骤雨>。