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。

基本物理单位定义在空间计量中的讨论

现代计量学原理建立在"欧氏几何的平直空间"、"质量守恒"和"光沿直线传播"等基本物理规律的基础上,但是广义相对论提出的时空弯曲和引力红移理论动摇了计量学的根基。在地球以外的更大尺度宇宙空间中,以及在引力场作用下、考虑物质第四态-等离子体的情况下,需要重新研究基本物理量的定义。时间测量受到了引力红移效应的影响,时钟在不同引力势下的走速不同,导航卫星为实现统一的时间测量,采用相对论公式修正了计时单位;长度单位定义依赖于光速常数和时间测量,同样受相对论效应影响,而且在引力场中光线不沿着直线传播,空间大尺度的距离单位光年定义困难;电压单位由约瑟夫森效应溯源到微波频率,因而也受相对论效应影响;在空间等离子体中电子平均动能(电子温度)与离子平均动能(离子温度)很难平衡。热力学温度单位定义隐含着平衡状态和无序运动的两个条件,在定向粒子流存在的情况下,动态温度的定义是否仅包含无序运动的粒子平均动能;质量单位定义受到质量守恒的质疑,根据爱因斯坦质能公式,质量不是物质固有不变的特性。空间计量是计量学的新领域,在地球以外的大尺度时空中,统一物理单位,确保人类在空间中的测量准确,运用现代科学理论重新定义空间物理量的单位将成为空间计量理论研究的一个发展方向。