宇宙星体漫谈十一:宇宙的陀螺

作者: H.V.迪特富特 宇宙星体漫谈 2015-09-01

导读:每当秋天树叶从树上飘落下来的时候,地球自转的速度开始稍快起来。秋天的一天的时间长度也渐渐稍短起来。每当春天,天日又重新增长、精确地恢复到原来的长短。一天的长短平均为24小时。在一年里一天的长短相差是不大的,最多0.06秒。

宇宙星体漫谈十一

宇宙的陀螺

每当秋天树叶从树上飘落下来的时候,地球自转的速度开始稍快起来。秋天的一天的时间长度也渐渐稍短起来。每当春天,天日又重新增长、精确地恢复到原来的长短。一天的长短平均为24小时。在一年里一天的长短相差是不大的,最多0.06秒。

这种天日长短的季节变化是地球有规律自转的短期扰动部分之一。只有在精度上大大超过地球自转这个天然天文计时器的钟问世后,科学家才发现了地球自转速度的季节性变化和其他一些扰动,并能够不时地检验这种地球自转的扰动。同时很快就证实,这种地球自转扰动并不是人们所知道的那么有规律。

1929年发明了石英钟,石英钟的走时非常准确,因此人们用它来测定地球自转的速度变化。石英钟的原理是石英晶体在电流作用下,能发生快速、非常有节奏的振动。有高度节律的振动是一切计时器的基础。一般汁时器是一种装有摆和振动平衡轮的弹簧发条钟。为了使石英晶体应用到钟上,人们必须解决极其困难的技术问题。这是一种用任何方式都能记录它的振动,而对振动投有影响的技术问题。后来,人们一下子能够使石英钟的精度达到每天百万分之一秒。不过石英钟并不是很理想的钟。

严重阻碍石英钟迅速进展的原因是:所有这类钟有一个致命的缺点,就是石英晶体在电流的作用下会振动,它的机械性反会发生快速变化。石英晶体的振动频率与机械性质有关。换句话说,机械性质一变化,振动频率就要改变。虽然人们现在已制造出了精度高得难以想象的石英钟,但是这种令人惊讶的高精度只能保持较短的时间,在最好情况下也只有几个月。之后,由于它的误差变大而失去了它的优越性。因此,石英钟也不宜用来检验地球自转的不均匀性,因为这种检验不仅要测量一天的长短,而且也要测量一年的长短。

本世纪40年代末高精度的原子钟问世,才满足了校核天文计时标准的各方面需要。原子钟与某种元素的原子振动有关。至于这种钟是怎样制造出来的,非常高的原子频率的记录问题是怎样解决的?这些都不是我这里所关心的问题。这里重要的是;原子固有振动的稳定性竟达到完全意想不到的程度。因此,原子钟的精度是绝对稳定不变的。

这种新一代钟的精度实际上高得在直观上难以进行比较。如果用简单的数字来表示,则它的精度能达到10-13秒,即10万亿分之一秒。这一数字听起来给人的印象非常深刻,但是,不是数学家是不太容易说出来的。显然,这是新的时间标准的可靠程度(精度)。如果人们用两个原子钟来说明,就会知道原子钟是多么准确。假定两个原子钟都是在前2000年的零点制造成的,开始使它们同步走着,以后完全让它们放任自流,那么,2000年后的今天,它们之间的误差最多为千分之一秒。制造这么准确的原子钟有什么优越性呢?优越性就在于还可将百万分之一秒精确地进行万等分。这已能满足一直追求时间精度的技术师的要求。讲到这里,门外汉可能会提出什么过程应该用时间尺度(这个时问尺度的刻度为百万分之一秒)来测量的间题。但这个提法是错误的,因为问题不在于测量具有这种时间量级的过程,而是测量它们之间的时间差。原子钟的问世带来了难以置信的可能性,它能使不同过程做到准确的同步,并且能非常可靠地检验某些过程的稳定性。

前几段我们已谈到了人们经过几年的努力,应用三个原子钟(其中一个飞机来回运送)使欧洲和美国的时间同步的精度达到百万分之一秒。这样做有么用处呢?对这个问题有许多回答。其中之一是,这样准确的同步对完全新式的飞机定位是个先决条件。今天干这件事的已不再是一个为了不断改进时间测量精度而花费昂贵代价的海军上将,而首先是空军元帅,因为用来做时间对比的原子钟是由飞机来回搬运的。这是一种“着陆对比”方法;另一种是飞机在空中发出时间信号,对比地点通过接收这些信号与本地钟进行对比,所以,称它为“空中对比”法。

飞机可以通过接收地面若干的发射台的无线电时间信号来确定自己的位置。这种定位方法的优点是不受天气、大气层和人为干扰影响。

这种定位按照下列原则进行。在一个大区域里不规则地布设了好几个发射台。在短距离范围内一点不差地同时发出短促的信号。这种信号为飞机所接收。自然,这种信号不是一点不差地同时接收到,因为各个发射台与飞机的距离并不是都一样的,另外也因为无线电信号尽管传播得非常快,但从发射台传播到飞机这段路程仍需要时间。飞机上的石英钟记录了频率不同的各个发射台所发射信号的到达时间差,并将它们输入到计算机中。计算机将时间差换算成距离差。领航员在标上发射台的地图上需要这种距离,为的是用此距离来准确地定出测量飞机每一时刻所在的位置。

这种定位系统的一个前提是,各发射台发出的时间信号要准确地同步。如果这种信号确是同时发射的,那么,在飞机上测量到的时间差就是无线电信号因不同传播路程(发射台与飞机的距离)引起的结果。如果所有发射台发射的信号能准确地同步到百万分之一秒之一秒,即一开始就有百万分之一秒的误差,那么,百万分之一秒的时间差相当于差300米的传播路程,因为无线电信号的传播速度为每秒30万公里。如果用原子钟来同步发射信号,那么误差就会更小。这可用一台原子钟不断地从一个发射台运到相邻台的办法来校准和拉制固定安装在各台的其它原子钟。这样,各个台发射的时间信号就能准确地同步到10亿分之一秒。这在理论上仅相当于0.3米的误差。当然,由于测量和计算还会出现不可避免的误差,因此,往往达不到理论上的精度,实际误差稍为大一些。现在,用这种定位方法已非常准确可靠,理论误差仅以厘米或毫米计,以致可用这种定位方法建立全自动计算机控制着陆驾驶系统,在夜间或浓雾天气环境中使用。今天,这种原理已用于军事。例如,潜入水下的u型舰应用接收器浮标,通过测量若干个彼此同步的发射台信号的到达时间差,就可以确定白己的位置。这种方法的优点在于船舰可以保持沉默,不需要发出自己的定向信号,因而不会暴露自己。宇航和空间探测器的遥控也需要精度很高的同步技术,采用着完全相似的原理。令人欣慰的是,这种方法一旦完全成熟,终将在经济上发挥效益,无疑在国际航空上可用来控制自动着陆系统,也就是说,这种方法可应用在民用事业上。

原子钟的超准确性带来的第二个决定性的优点是,能够比以前更精确地检验某些过程的稳定性。这首先对某些科学问题有荐不可估量的优越性。在本章开头已谈了地球在秋天总是自转得快些(约快0.03秒),而每年春天重新减慢变成慢0.03秒。这是一种有节律的往复平衡的周期变化。如果没有原子种,我们就不可能发现地球白转速度的季节变化。

也许,人们对于地球自转这种季节性周期变化的真实性还作怀疑态度。其实,这种怀疑是多余的,不必要的,因为原子能的振动相当稳定。1964年国际度量衡协会在巴黎召开的全会上通过了一种新的时向单位——原子秒——的定义。从1972年元旦开始时间计量采用了以原子秒为单位。这是一种崭新的时间单位,因为它同地球百转和公转都无关系,而同艳原子的振动频率有固定的联系。原子秒就是艳原子来回振动9,192,631,770.0次所需的时间。换句话说,艳原子的振动频率为每原子秒9,192,631,770.0次。

近十年来已应用了原子钟,因此地球自转的扰动不仅能够精确测量,而且还可将这种扰动分解成相互独立的由不同原因引越的部分。阻碍地球自转的各个因素是可以找到的。当然,所有的因素今天还不可能都知道,因为对时间的研究的历史还很短。不过,地球自转的长周期振动,也就是世纪(百年)节律的振动的原因,是清楚的。

至于多次提及的地球自转的季节振动的情况就不同了,它在一年内就能恢复平衡,补偿过来。究竟是什么因素引起地球自转的季节性变化呢?这显然是由一些与季节交替有关的因素引起的。它们隐藏在现象的背后,使地球表现为一个宇宙的陀螺。因为地球自转速度的交替增加和减小的方式是相同的,这与溜冰时所出现的现象是一样的。溜冰的人活像一枚陀螺。他的旋转速度随两竹的状态而变化。每当他的手臂收紧时,所作的陀螺运动速度总是较快,而他的手臂重新伸展开时,旋转速度立即变慢。

地球的旋转与溜冰运动员的旋转相类似,溜冰运动员所遵循的规律同样适用于地球的旋转,因为力学定律的适用与运动物体的特性无关。地球自转快慢的季节变化也存在着陀螺效应。现在的问题是,每当春天地球自转的速度变慢时,地球的哪一部分伸向四周的宇宙空间,秋天时将它们重新收回来。

其中最可能的是数量可观的地表水。地表水的运动季节性规律很强,它在地面和大气层之间来回运动。每当春季太阳辐射增强,大地回暖,地表最上层的水纷纷蒸发,变成水气进入大气层。

据估计,每年春夏季节大约有几十亿吨水上升到几百、几千米的高空。这仿佛是地球伸向宇宙空间的许多手臂,使地球自转的速度显著减慢。几千米高与地球直径12000多公里比较起米,仅占很小的一部分,这对地球自转条件的次变是微不足道的,但对地球自转速度是有影响的。据计算,这对地球自转周期的影响最大可达0.06秒。秋冬季节的情况正好相反,大气中的水分含量少,空气干燥,地球自转的速度就加快起来。

上述的解释似乎很有道理,很清楚,但有人认为是个错误的解释。因为北半球和南半球的季节是交替的。当北半球是春天的时候,澳大利亚、南非和南美正好是秋天。南半球那些地区的11月份相当于我们这里的5月份,是一个春光明媚的季节。因此,南半球和北半球必定互相保持平衡。因为,每当北半球春季大地中的很多水蒸发成水汽,进入到大气层,然后输送到南半球,变成雨水,降落下来。这时南半球正值秋天。乍一看来,南北半球的这两种效应一定会互相抵消。其实只要看一下世界地图或较好的地球仪,就会马上知道,北半球和南半球的这两种效应不能发生平衡。在大陆上,温度的季节变化最明显,而地球上大陆的分布极不平衡。北半球的大陆面积远远超过南半球的大陆面积,使得大陆对温度变化的影响超过季节更替所引起的影响,从而产生了地球自转的陀螺现象。这也是为什么北半球四季分明,而南半球季节不分明的理由。但季节自始自终起着主导作用,因而地球自转的速度变化表现出一定的季节趋势。

地球自转的陀螺现象是否只是地球表层和大气层之间水分来回运动而引起的?当然不是。许多其也与季节更替有关的周期因素同样可看作这种陀螺现象的原因,其中一个主要因素可能是气团的季节性运移,使地球的质量分布随季节有微小的变化,另外,地球自转在秋天时加快是否与秋天树木落叶、庄稼收割有关。树叶虽然很轻,树也不高,但地球上有很多树,树叶多将不计其数。如果在秋天全部树叶几乎同时落地,那么,根据科学家的意见,这个过程对地水这个宇宙陀螺的转动速度会暂时增加。

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