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關於對錶這件事,看看嚴謹的科學家們怎麼做的

對錶,用行話說就是時間比對。

目前,應用最廣的時間比對方法是共視時間比對,可以實現兩個地方原子鐘之間納秒級的時間比對。

其實,早在公元前一百多年,人們就掌握了共視時間比對的方法,那時候共視的媒介是月亮,後來,隨著技術的發展,共視媒介發展到木星、流星、衛星等,精度和方便性逐步提高。

這裡,我們用一個不太真實的故事給大家展現真實的科學道理。

「但願人長久,千里共嬋娟。」蘇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間比對的真諦:兩個地方看同一個物體。

在古代,張家村的張三要和李家村李四想對一下表,他們怎麼才能實現呢?張三拿上表,跑到李四家裡,把兩個表放在一起,直接比較表上的讀數就可以了。這是最笨的對錶方法,因為他們用的表很重,光搬鍾張三就要費上牛勁,在路上還得小心翼翼,表顛壞就麻煩了,最慘的是,張三去對錶這一段時間,張三家人就看不到時間了。想到這些問題,張三就不想去對錶了。

多虧有古希臘的學者喜卡珀斯,他在公元前160年就為張三想好了對錶的方法。他說:「利用共視很簡單,根本沒有那麼麻煩,你們即使不見面也能對錶。」

在月食發生的時候,張三和李四同時觀看這月食,等月食開始的那一刻,兩個人都記下自己表的時間。張三記下是九點,寫一了一個紙條,派自己的大黃狗送到李四家裡,李四發現月食開始時自己的表是八點,因為張家村和李家村的月食是同時開始的,李四非常容易的就知道張三的錶快一個小時。

共視時間比對要觀測同一個天象

這就是共視時間比對的方法,兩地分別記下觀察到一個現象的本地時間,然後交換數據就可以實現兩地的時間比對。這裡,月食什麼時候發生不重要,重要的是月亮的光線同時到達張三和李四處,並且兩個人記下發生時刻所用的時間是相等的。

張三和李四很高興,因為他們找到了一種測量經度的方法。地球24小時轉360度,一小時轉15度,他們兩個都把太陽最高的時刻定為中午12點,通過共視測得兩個地方本地時間的偏差,通過簡單的運算就知道兩個地方的經度差。

但是,沒過多久,張三和李四就發現問題了,月食發生的太少,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,用木星衛星食。

木星衛星食也是共視的一種媒介

木星有四顆衛星,這四顆衛星以很高的速度繞著木星公轉,木星的衛星一年要發生一千多次衛星食,因此算下來的話每天總會發生兩次或三次,而且這種衛星食也有一定規律。伽利略編製了近似準確的木星衛星食發生表,供人們使用。

這解決了張三和李四的對錶問題,雖然他們明白,木星衛星在海上很難觀測,但他們在陸地上,伽利略的方法是可以用的。後來,張三和李四還把這種方法推薦給巴黎天文台。巴黎天文台用這種方法在地球上觀測各地的經度,取得了極大的成功,成為名震一時的研究機構。

在用著共視方法進行對錶的過程中,張三和李四也沒閑著,他們一直在關注共視方法的發展,並且發現了兩個大事件。

第一件事發生在19世紀中葉,利用流星作為共視媒介,天文學家測量了相距480公里的義大利的西西里島和萊切之間的經度差,精度4角秒 。

流星也是共視的一種媒介

張三和李四也關注到共視媒介的變化,包括:羅蘭C、廣播電視甚至是脈衝星的脈衝等等,等1978年GPS投入運行後,他們一下子驚呆了,因為GPS作為共視媒介,可以將時間傳遞精度提高的3ns左右,這個完全超出了他們的想像。

導航衛星共視

GPS衛星發射的信號在發射和接收端有一個明確的路徑,並且可以修正得基本相同,它是非常理想的共視參考信號。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共視技術一出現就被計算協調世界時的國際權度局(BIPM)所採用,直到今天都在使用這種方法。

張三和李四深信,隨著科技的發展,必然會出現精度更高的共視媒介,共視時間比對的精度會越來越高。


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