天文时与原子时.PDF

天文時與原子時 撰文：劉迪森 2013年9 月 時間標準基本上分為兩類。一類是基於天文學，稱 為 「天文時」。另一類則以原子振動的頻率作 為依 據，稱 為 「原子時」。 「天文時」是基於經常重覆發生的天文事件而制定的時間，如地球自轉造成日與夜，地球圍繞太陽公 轉產生不同的季節等。以往利用日晷顯示太陽位置來測量的時間稱 為 「視太陽時」。但由於地球按橢 圓軌道環繞太陽運行，加上地球自轉軸與地球環繞太陽公轉的平面形成傾角，一年之中太陽的視運動 速度都在變化，「視太陽時」的時間長度並不均 勻 。另一種較有均 勻性的「平太陽時」是利用在天球 上以均 勻速度運動的虛擬太陽來定義的時間，與「視太陽時」的平均相符。國際上，在格林尼治子午 線(即 經 度 0度)的「平太陽時」定為 「世界時」﹝UT0 ﹞ ，又叫「格林尼治平時」﹝GMT ﹞。隨著較為 精確的時鐘面世，天文學家發現在不同地點量度的「世界時」出現差別，其後發現這種差別是由於地 軸擺動而引起的。各地天文台詳細測量了地軸擺動對「世界時」的影響後，制定了一種稱 為 UT1 的新 時標修正這種差別。 圖一 「天文時標 UT1 」與「協調世界時 UTC 」 的差距。自 1972 年 至今加入閏秒共 26次。閏秒並非按固定的時間間距出現，1980 年代、1990 年代和 2000 年代分別加入閏秒 6 次、8 次和 3 次，可見地球的自轉速度不時會出現加快或減慢的現象。此 外，1972 年前 UTC 的定義不一樣，故此 1972 年前後的差距不 能作直接比較。(圖片來源：國際地球自轉事務中央局) 「原子時」是基於原子振動的頻率而制定的時間。原子頻率標準的研 究顯示，銫-133原子振動的頻率非 常穩定和均 勻 ，可以利用這個特性來定義「秒」。一九六七年第十三屆國際度量衡會議通過了一項決 議，採納銫-133原子振動的「秒」代替以天文觀測作為 「秒」的定義，從而制定「原子時」 (TAI) ，作 為一種國際參照的時標。 由於受到大氣運動及其它地球物理現象的影響，地球的自轉速度並不平均，而且更逐漸減慢，天文時 標定義的一秒比標準的原子鐘時間的一秒稍長，一九七二年初遂引入一種稱 為 「協調世界時」﹝UTC ﹞ 的折衷時標。「協調世界時」在一般情況下遵從原子時標，但在有需要時加進閏秒，務求與天文時標 的差距保持在 0.9 秒以下 (圖一) 。「協調世界時」是現時世界通用的民用時間標準，由國際度量衡局根 據全球50 多個授時機構及時間實驗室內300 多台原子鐘數據，按照各原子鐘的穩定性以加權平均為基礎 定岀 「協調世界時」(圖二) 。 圖二 2013年4 月分佈全球參與訂定協調世界時的授時機構及時間實 驗室 (圖片來源：國際度量衡局) 一九七二年一月一日開始香港採用「協調世界時」作 為法定時間標準。香港天文台是香港的官方授時 機構，透過每 日誤差少於百萬分之一秒的銫原子鐘 (圖三) 提供授時服務，並利用高準確度的時間傳輸 系統和全球定位系統共視方法，定期與國際度量衡局交換時間數據，以維持香港標準時間，和參與訂 定「協調世界時」。 圖三 香港天文台銫原子鐘