100毫秒等于多少秒(1秒等于多少毫秒)
我们的古代经典《周易》里有一句名言:“人们日常使用却不自知”。在天文学中,很多知识也是如此。我们已经习以为常,甚至完全忘记了它们与天文学的关系。最典型的就是时间。昼夜交替、月圆、四季更替为先民提供了三个适宜的时间单位:——天、月、年。最终,所有的古代文明一致确定了年、月、日的计量方法,并制定了自己的历法。此外,将“天”细分为小时、分钟和秒钟也是时间测量史上的重要一步。这一步,人类走了3000多年。我们的故事从这里开始。
日复一日
公元前1500年前,埃及人已经发明了日晷来计时。他们把日出和日落之间的时间分成12段。夜晚也是通过天文观测来确定时间:用36颗星或星座(decans,中文翻译为Decans)将天球分成36段,通过18颗星的升起就可以知道夜晚的时间。在这18颗恒星中,有3颗恒星在晨光和昏暗的光线下很难观察到,而另外12颗则完全用于夜晚的计时。这相当于把夜晚的长度分成了12段。此外,埃及当时还发明了“水钟”,可用于夜间报时,相当于**古代的漏刻。水钟上的刻度分成12等份。到了古埃及新王国时期(公元前1550-1070),系统的观星时间简化为24颗星,其中12颗星用于夜间。从此形成了一天把昼夜分为12段和24段的传统。
注:古埃及新王国哈索尔神庙天花板上的天文图案(部分转载)。中间是十二生肖,内圈的人物是癸。他们是夜晚时间的指示器,他们也可能是参与仪式的神。
但由于昼夜长短随季节变化,所以昼夜这两个12段的长度既不是固定的,也不是相等的,也是随季节变化的。几百年后,古希腊天文学家希帕查斯(约公元前190-125年)提出,可以根据春分的昼夜周期(昼夜长短相等)来固定这两个12段,这样就可以把一天平均分为24段。但在接下来的1000年里,人们仍然习惯于将白天和黑夜划分为不同的时间。当时,计时工具用日晷、日晷、失踪的沙漏等制成。通常只有几十分钟的精确度,所以这种划分并不影响日常生活。
描述:故宫几个大殿前都有日晷。图为太和殿前的日晷。十二时辰分为上、下两部分,起源于宋代。
**古代殷商时期,人们把一天从日出到日落分为七期,把一夜分为五期,这可能起源于后世。到了西周时期(比希帕克早几百年),已经建立了统一的十二时辰划分方法,以子夜为午夜的中间,与今天的二十四小时相对应。后来到了宋朝,每一个时辰都被平均分为上半部分和下半部分,相当于24小时制。后来民国采用公历和西方二十四小时制,每个时间段是传统十二小时的一半,所以叫“时”。另外,最迟在秦汉时期,**已经发明了相当精确的漏刻,把一天分为一百刻,即百刻制。十二小时、百小时、五小时制已经成为**传统文化的重要组成部分。另外值得一提的是,公元1088年我国宋代天文学家苏颂发明的水运仪台的时间误差只有每天100秒左右!比欧洲同等精度的钟表早400年。
注:水运仪台水运仪台是北宋苏颂、韩公廉等人发明制造的大型自动天文仪器。它由漏刻的水力驱动,集天文观测、天文演示、系统于一体,标志着**古代天文仪器制造史上的巅峰,被誉为世界上最早的天文钟。图为中科院国家天文台根据1:3复原的水运仪平台模型,实际可以运行。(照片由国家天文台霍志英提供)
14世纪,机械钟在欧洲首次出现后,小时的长度是固定的,形成了等分的24小时制。大约在公元1345年,人们开始把一个小时分成60分钟,把一分钟分成60秒钟。一秒钟的长度是1/86400天。这就是“秒”的由来。然而,当时的工具计时还远远达不到秒的精度。
公元1550年左右,钟面上首次出现了分针,计时精度开始达到分钟的量级。1675年,荷兰的惠更斯利用单摆的“等时性”制成了第一只摆钟,每天的计时误差降到了10秒左右。1759年,英国的哈里森制作了精确的航海钟,每日误差不到一秒,表盘上第一次出现了秒针。发明日晷3000多年,提出秒的概念400年后,人们终于可以测量秒的长度了。
errerpolicy=”no-referrer” />
图注:1783年瑞士制造的铜镀金转花自鸣过枝雀笼钟,钟面上已经出现了秒针。(故宫钟表馆藏品)
图注:19世纪末法国制造的铜镀金珐琅围屏式摆钟。(故宫钟表馆藏品)
Box:12、60与度、分、秒
现在人们最广泛使用的数字系统是十进制,这可能和人们用十根手指计数有关。除了10,还有12和60也是沿袭至今的重要计量单位。例如12时辰、1度等于60分等。12可能来自于一年所包含的月数(12个)。另外,人的手指除大拇指外,其他四指的指节一共是12个;再加上12这个数字本身可以被2、3、4整除,使用起来也很便利,例如将圆周12等分就要比10等分容易得多。这些可能也都是原因之一。
在公元前1700年之前,生活在两河流域的巴比伦人采用60进制进行数学和天文计算。到古希腊时期,计算已不再使用60进制,但一部分巴比伦传统保留了下来。例如把一个圆周分为360度(360=3×4×5×6)等,这样可以很方便地进行3、4、12、60等分。后来,托勒密在《天文学大成》一书中(约公元150年)将360度细分为了更小的单位。1度分为60份,拉丁语为“ partes minutae primae”,翻译成英语就是first very **all part,中文意为“第一极小分度”,简称为“分”。1“分”又划分成60个更小的部分,叫做“pars minute secunda”,即第二极小分度,英语记作second,中文翻译为“秒”。这就是度、分、秒的由来。到了14世纪,分和秒又被借用到了时间的划分中,并传承至今,成为我们熟知的时间单位。
一秒究竟有多长?
工业革命之后,由于生产力的快速发展,无论是商业开发、社交活动还是收发电报等,人们对计时的要求都越来越高,精度开始突破秒的量级。与此同时,随着精确计时工具的发明,天文学家发现从天文观测定义的秒长竟然并不均匀。
其中的主要原因在于地球运动的复杂性。从开普勒时代开始,人们就已经知道地球的公转轨道是个椭圆,公转速度并不均匀。1927年,美国马里森利用压电效应原理发明了每天误差仅在0.1毫秒以内的电子式石英钟。在石英钟的帮助下,人们发现地球的自转速率也并不均匀,时快时慢,导致一年当中日长的变化幅度可以达到千分之二秒。这一发现动摇了以地球自转周期为基础的时间标准的地位。另外由于日、地、月相互吸引、潮汐摩擦等因素,也使得地球自转有长期变慢的趋势。平均而言,日长每100年约增加1.6毫秒。这几个效应使得一天的长度时长时短,从而导致了用“天”来定义的秒长也不固定。尽管它的变化幅度不过千万分之一,但随着航天、军事等活动的开展,如此定义的秒长已经无法满足实际需求了。从1759年出现秒针到20世纪中叶航天时代开启,短短200年的时间,人们对计时精度的要求就提高了上亿倍!可见文明和科技发展之迅猛。
这时物理学家帮了忙,他们发现原子跃迁时发射或吸收的电磁波频率是高度确定的,据此设计出的原子钟可以走得极为均匀。在1967年10月第13届国际计量大会(CGPM)上通过了“原子时”秒长的定义:“位于海平面上的铯(133Cs)原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒 ”。它取代了由日长定义的秒长,解决了天文时间的不均匀问题,是一个革命性的创举。
原子时秒的定义是时间标准计量学史上一次重大变革的开端。当然,为了人们日常生活的方便,人们希望原子时的秒长等于(或者说尽可能接近)天文秒长的平均值。在定义原子时的时候,规定1958年1月1日世界时零时的瞬间作为原子时的起点。即在那一瞬间原子时和天文时间(也就是日常使用的世界时)完全相等,此后便由原子钟独立运行,给出原子时。事实上由于技术限制,当时的原子时并未能调整到同世界时完全一致,后来发现原子时比世界时快了0.0039秒。现在,这个差值只能作为历史事实保留下来。
原子时是目前为止最均匀的计时系统。现在世界上最精准的原子钟——锶原子光晶格钟,稳定度已达10-18的量级,相当于160亿年不差一秒!今后的新一代原子钟,更有希望短期内将精度再提高几个数量级。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间,这就是“时间基准”,然后通过各种手段和媒介将时间信号送达给用户,包括短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这一整个工序,称为“授时系统”。
不过我们在日常生活中还是离不开天文时间(也就是世界时),例如在导航定位、天文大地测量和深空探测等领域,仍需要知道任一瞬间——即世界时时刻——地球自转轴在空间的角位置。这样就需要保持原子时的年、月、日与天文时间一致,每当它与天文时间的偏差接近±0.9秒时,就将它人为地增加或减去一秒,称为“跳秒”。到目前为止实施了20多次跳秒,每次都是给原子时增加1秒,也叫作“闰秒”。包含跳秒的这个时间系统,就是协调世界时。协调世界时在宏观上是天文时,在微观上是原子时。也就是说,我们钟表里的秒针以原子时的频率跳动,却必须时刻不离天文时左右。这样协调的意义在于,两种时间的差距始终不会超过1秒,可以使人们的作息与自然节律步调一致。
协调世界时较好地解决了时间的均匀性问题,但是在计算机时代,有的程序会因为无法处理闰秒而带来一些麻烦。近年来,关于是否废除跳秒机制引发了许多争论,这又是另外一个话题了。总之,从天文时到原子时到协调世界时,人们在计时、授时上取得了辉煌的成就,但关于时间的问题还远没有解决,探索仍在继续。
(本文原载于《知识就是力量》,作者:北京天文馆、《天文爱好者》杂志社 李鉴;天津蓟州第一中学 霍智慧)