时间是长度怎么确定的国际上比较的机构是如何确定时间长度的?比如一秒钟的时间长度是如何确定的?

Question

时间是长度怎么确定的
国际上比较的机构是如何确定时间长度的?比如一秒钟的时间长度是如何确定的?

Answer 1

时间的概念
时间是物质存在的客观形式之一.任何一种物质的变化、运动或发展的过程,都永远是在时间和空间内发生的.
时间；它有两种含义：一种是“时段”,是两个瞬时之间的间隔长短；一种是“时刻”是指某一瞬时是什么时间.例如,我们早晨八时上班,十二时下班,上午工作了四个小时.这四个小时就是“时段”值；而八时和十二时就是“时刻值”.
时间是用相同周期的积累来测量的.人们很早就发现,与人类生活有紧密联系的太阳的运动是比较均匀的,而这种运动实际上是地球自转与公转的结果,因此,建立了按太阳运动计量时间的计时系统,把日出日落的周期值作为计量时间的标准原器.
太阳日,是根据地球自转和它的公转运动的周期值来规定的.太阳日分为“真太阳日”与“平太阳日”.真太阳日是根据太阳来测定的“日”,即太阳在上空正中时至第二天正中时的时间间隔,叫做一个真太阳日.由于两个真太阳日的时段不是相等的,为更均匀地计量时间,“平太阳日”是天文学家根据地球运转的总时间加以平均所得的“日”.我们日常生活的就是“平太阳日”.
在平太阳日系统中,一般采用夜半时刻作为平太阳日的起算点,也叫平子夜.地球绕太阳公转一周为一年,自转一周为一日,一日分为二十四小时,每小时分为六十分,每分又分为六十秒,“秒”是时间的基本单位,把一个平太阳日等分为86400个时段,每一个时段的长度就是平太阳时系统基本单位——平太阳秒的长度 1秒=1/86400平太阳日.
地方时与标准时间.地面上每一个观测点都有自己的平子夜时刻,在同一瞬时,不同经度上的观测点将有不同的时刻值.这样的时刻,叫做地方时.地球自转一周二十四小时,东西经度合计是三百六十度.则每隔十五度,时间相差一个小时（360°+24=15°）如果各地都使用自己的地方时,将带来很多不便,因此,制定了标准时间规定.以经过英国伦敦的格林威治天文台的零度经线为零时区的中央经线,从西经7°30’到东经7°30’的范围划为零时区.在这个时区内以零度经线的地方时为标准时间.这就是格林威治时间,也叫世界时.从零时区边界线分别向东、西每隔经度15°划一个时区,全球共划分为24个时区,每个时区相差一个小时.各区都以该区中央经线的地方时为该区的标准时间,如我国首都北京在东经116°,属东八区,这个时区的中央经线是东经120°,因此“北京时间”实际上是东经120°的地方时.
实际上时区的界线为了方便起见,往往按照各国行政区域或自然界线来划分.我国领土辽阔,东西横跨四个时区,目前是采用一个区时,即以北京时间作为全国统一标准时间.由于零时和二十四时是重合的,为区分今天和明天,国际上人为地规定了以180°经线附近的一条线作为国际日期变更线,当由不同方向航行越过这条线的时候,需要遵照规则,把日期提早或推迟一天.
由于电子技术的不断发展,原子钟这种高精度的计时仪器的出现,为时间计量工作带来很大方便.1967年国际度量衡委员会决定从1972年1月1日零时（世界时）开始,标准时间用国际原子钟得到.并以铯（CS133）原子振动9192631770次所历的时段作为国际原子钟的一秒钟.可以得到高精度的时间.
单位制沿革
古代常以人体的一部分作为长度的单位.例如我国三国时期(公元三世纪初)王肃编的《孔子家语》一书中记载有：“布指知寸,布手知尺,舒肘知寻.”两臂伸开长八尺,就是一寻.还有记载说：“十尺为丈,人长八尺,故曰丈夫.”可见,古时量物,寸与指、尺与手、寻与身有一一对应的关系.
西方古代经常使用的长度单位中有所谓的“腕尺”,约合52～53厘米,与从手的中指尖到肘之间的长度有密切关系.
也有用实物作为长度单位依据的.例如,英制中的英寸来源于三粒圆而干的大麦粒一个接一个排成的长度.
多少年来世界各国通行种类繁多的长度单位,甚至一个国家或地区在不同时期采用不同的长度单位,杂乱无章,极不统一,对商品的流通造成许多麻烦.所以,随着科学技术的进步,长度单位逐渐趋于统一,这个进程早在几百年前就已经开始了.
1790年法国国民议会通过决议,责成法国科学院研究如何建立长度和质量等基本物理量的基准,为统一计量单位打好基础.次年,又决定采用通过巴黎的地球子午线的四分之一的千万分之一为长度单位,选取古希腊文中“metron”一词作为这个单位的名称,后来演变为“meter”,中文译成“米突”或“米”.从1792年开始,法国天文学家用了7年时间,测量通过巴黎的地球子午线,并根据测量结果制成了米的铂质原器,这支米原器一直保存在巴黎档案局里.
法国人开创米制后,由于这一体制比较科学,使用方便,欧洲大陆各国相继采用.
后来又作了测量,发现这一米原器并不正好等于地球子午线的四千万分之一,而是大了0.2毫米.人们认为,以后测量技术还会不断进步,热必会再发现偏差,与其修改米原器的长度,不如就以这根铂质米原器为基准,从而统一所有的长度计量.
1875年5月20日由法国政府出面,召开了20个国家政府代表会议,正式签置了米制公约,公认米制为国际通用的计量单位.同时决定成立国际计量委员会和国际计量局.到1985年10月止,米制公约成员国已有47个.我国于1977年参加.
国际计量局经过几年的研究,用含铂90%、铱10%的合金精心设计和制成了30根横截面呈X琪的米原器.这种形状最坚固又最省料,铂铱合金的特点则是膨胀系数极小.这30根米原器分别跟铂质米原器比对,经过遴选,取其中一根作为国际米原器.1889年,国际计量委员会批准了这项工作,并且宣布：1米的长度等于这根截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间在冰融点温度时的距离.
其余一些米原器都与国际米原器作过比对,后来大多分发给会员国,成为各国的国家基准,以后每隔几十年都要进行周期检定,以确保长度基准的一致性.
然而实际上米原器给出的长度并不一定正好是1米,由于刻线工艺和测量方法等方面的原因,在复现量值时总难免有一定误差,这个误差不小于0.1微米,也就是说,相对误差可达1×10e(-7).时间长了,很难保证米原器本身不会发生变化,再加上米原器随时都有被破坏的危险.所以,随着科学与技术的发展,人们越来越希望把长度的基准建立在更科学、更方便和更可靠的基础上,而不是以某一个实物的尺寸为基准.光谱学的研究表明,可见光的波长是一些很精确又很稳定的长度,有可能当作长度的基准.19世纪末,在实验中找到了自然镉(Cd)的红色谱线,具有非常好的清晰度和复现性,在15摄氏度的干燥空气中,其波长等于 y=6438.4696×10e(-10)米.
1927年国际协议,决定用这条谱线作为光谱学的长度标准,并确定1米＝1553164.13yCd,人们第一次找到了可用来定义米的非实物标准.
科学家继续研究,后来又发现氪( 86 Kr)的橙色谱线比镉红线还要优越.1960年,在第十一届国际计量大会上,决定用氪(86Kr)橙线代替镉红线,并决定把米的定义改为： “米的长度等于相当于氪(86Kr)原子的2P10到5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍.”
这个基准的精确度相当高,相对误差不超过4×10e(-9)?,相当于在1千米长度测量中不差4毫米.
但是原子光谱的波长太短,又难免受电流、温度等因素的影响,复现的精确度仍受限制.60年代以后,由于激光的出现,人们又找到了一种更为优越的光源,用激光代替氪谱线,可以使长度测量得更为准确.只要确定某一时间间隔,就可从光速与这一时间间隔的乘积定义长度的单位.80年代,用激光测真空中的光速c,得c＝299792458米／秒.
1983年10月第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“米是光在真空中1／299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”. 新的米定义有重大科学意义.从此光速c成了一个精确数值.把长度单位统一到时间上,就可以利用高度精确的时间计量,大大提高长度计量的精确度.