SI基本单位与时间计量

讨论了SI“秒”在量子基准中的重要性和坐标时在时空统一及其他物理量基准统一中的作用,以史瓦西场为例说明了“原时”与“坐标时”的关系以及引力场对“原时”的影响,认为时间单位秒的不确定度决定了其他物理量单位的不确定度。只有“坐标时”的适用范围是全局的,涉及到大尺度时空的物理量必须用也只能用坐标量进行表征。SI“秒”定义的是一个“原时”秒长,是一个局域物理量,要使用量子基准对大尺度空间的物理量进行量值统一,需要进一步明确“坐标时”与SI“秒”之间的关系。

空间计量中时间单位和时间测量

时间单位和时间测量统一问题是空间计量的关键问题。空间计量的研究对象是地球以外广域时空,它是在传统计量学基础上的延伸。狭义相对论证明了时间是相对的,只有在同一个坐标系内才能对同时性进行定义。在地球上已经习惯了随地球旋转的非惯性坐标系,并且在非惯性系上定义了时间单位和测量理论,然而在不旋转的惯性坐标系上进行时间测量更加合理。广义相对论中的原时和坐标时都是以国际单位制SI秒为时间单位的,即使有相对速度效应、引力红移效应、Sagnac效应等相对论效应影响时钟的快慢,SI秒的定义是绝对的。时空度规把坐标轴伸展成有刻度的坐标,度规给坐标轴刻度之间赋予一种比例关系,当度规为变量时,时空就是弯曲的。以转盘上的弯曲时空为例子,给出了非惯性坐标系上时间统一的广义相对论算法。卫星导航系统为了统一时间,把星载原子钟走速进行了相对论公式修正,不再以SI秒为单位测量原时,因此不同轨道上的卫星采用了不同时间单位。

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。

空间计量中长度单位和距离测量

长度单位定义是建立在光直线传播、光速在真空中为常数,以及光速各向同性的理论基础上,二维球面上的直线,在三维空间中是弯曲的测地线;三维空间的直线,在四维时空中也是弯曲的测地线。长度单位的定义是否适用四维时空呢?SI秒和SI米的定义适用于全域时空,但使用它们必需明确原时和坐标时的区别。爱因斯坦的狭义相对论以及光速不变原理只适用于惯性系,不适用于非惯性系。本文以转盘上的非惯性坐标系为例,利用广义相对论的坐标变换和时空度规运算,揭示了非惯性坐标系上的时空弯曲和光的非直线传播现象。计算了非惯性坐标系上Sagnac效应对卫星和地面站双向测距的影响,初步研究表明空间测量范围从局域推广到全域的话,诸如引力红移、相对速度效应、Sagnac效应等将会成为空间长度测量不确定度的影响因素,因此空间计量理论必须建立在广义相对论基础之上,用四维时空观念理解空间距离测量问题。