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坐标时

相对论中,利用时空坐标系表达计算结果很方便。这里的时空坐标系隐含了“假想每个时空点都有观察者”的意义[注 1]。在许多(但不是全部)坐标系中,发生于某一瞬间、某一地点的事件可由一个时间坐标和三个空间坐标标定。论述由时间坐标标定的时间时,人们通常会用坐标时这个名词,以强调他们谈论的对象不是固有时

依惯例,狭义相对论惯性观察者所观测到的事件的坐标时和固有时相同。这里的固有时是与事件处于同一位置的时钟读值。对观察者而言,该时钟看起来静止不动,并已使用爱因斯坦同步约定英语Einstein synchronisation校正过,与观察者的时钟同步。

坐标时、固有时以及钟同步

广义相对论排除了许多经典力学的假设以及经典理论描述时空所用到的假设,因此必须在理论框架下严谨定义同步(synchronization)和同时性(simultaneity)相关的其他概念。爱因斯坦定义了特定的时钟同步程序英语Einstein synchronisation,有限同时性的概念因而产生。[2]:82

两个事件只有在选定的坐标时具有相同值的时候,才会称为“在选定的参考系同时(simultaneous)[注 2]”。这也表示,它们在其他参考系之下可能不会同时。[3]:955[2]:82

在名义上定义参考系的地方摆一个时钟,无法测量该参考系的坐标时:位在太阳系质心的时钟无法量到质心坐标系的坐标时英语Barycentric Coordinate Time;放在地心的时钟也无法量到地心系的坐标时英语Geocentric Coordinate Time[3]:954

数学表示式

根据广义相对论,处在非惯性系的观察者可以更自由地选择坐标系。对一个空间坐标为定值的时钟,固有时 希腊字母小写的tau)和坐标时 的关系如下(以时间膨胀率为例):

(1)

在此,度量张量的分量,体现了引力时间膨胀(依惯例,第零个分量类时)。

另一种列式方式列出含有 的(二次)修正项,使固有时和坐标时的关系能以力学上更容易辨认的量表达。[4]:36

(2)

其中:

为周围物体(质量)引起的重力位总和 为各物体离时钟的距离。 的和是牛顿重力位(加上欲考虑进来的潮汐位)的和的近似值,因天文上的惯例而使用正号表达。

此外,光速 为所选的参考系坐标的时钟移动的速率

(3)

其中, 为时钟所在参考系中位置的空间坐标()和坐标时()的微小增量 三个类空坐标彼此正交。

式 (2) 是基础的、引用很多的微分方程,表达了固有时和坐标时的关系。以史瓦西度规为起始的推导请参:重力和运动引起的时间膨胀

量测

坐标时无法由测量而得,只能由计算得出。计算方式:读取真实时钟上的数值(固有时),代入式 (2) 或其他表达时间膨胀关系的式子得出。

为了说明,可假想出时钟的固有时和坐标时刚好相符的观察者和其轨迹。要满足固有时和坐标时相符,必须使观察者和时钟在所选参考系处于静止状态(式 (2) 的 ),并无限远离(现实中无法达成的条件)参考系中的重力质量,使该系的重力位在观察者处的位置为零(式 (2) 的 )。例如,对于质心坐标时英语Barycentric Coordinate Time,该观察者必须无限远离太阳系,使太阳系的重力位于他所在的地点消失;观察者相对于太阳系的质心也必须静止不动。这个说明用处有限,因为坐标时在参考系中的每一点都有定义,但为了说明而选择的假想观察者和时钟只有有限的轨迹可以选择。并且,这类假想观察者无法用来说明重力位不为零时的情况(如:处在太阳系内的情况)。另外,在某些参考系找不到这类假想观察者[注 3][3]:955

坐标时标

坐标时标是一种时间标准,设计给需要考虑坐标时相对论性效应的计算使用。选择时间坐标意味着选择了参考系。

如上所述,时间坐标可以借由时钟的固有时进行有限程度的说明。该时钟理论上必须离研究者感兴趣的物体无限远,并且相对于所选参考系处于静止状态。名义上,这个时钟处于所有重力井英语gravity well之外,因此不受重力时间膨胀影响。位于重力井内物体的固有时会过得比坐标时慢,即使它们相对于坐标参考系处于静止状态。观测所有物体都必须考虑到重力和运动引起的时间膨胀,而这些效应是“物体相对于参考系的速度”和式 (2) 给的“重力位”的函数。

国际天文联会(IAU)定义了四种专门为天文学设计的坐标时标。质心坐标时英语Barycentric Coordinate Time(TCB)基于和太阳系质心一起移动的参考系,用于计算太阳系内的天体运动。从地球的观点来看,广义的时间膨胀(包含重力时间膨胀)使质心坐标时的时间单位(SI秒)过得比地球上时钟量得的还快[注 4][5]因此,为了天文上实用的目的,定义了质心坐标时的缩放版本,因历史原因称为质心力学时英语Barycentric Dynamical Time(TDB)。质心力学时的时间单位从地球表面观测为SI秒,从而确保TDB和地球时(TT)在几千年内的误差会维持在2毫秒内。[注 5][7][6]TDB的时间单位如果由前述的假想观察者测量(在参考系处于静止且处于无限远的距离之外)只会比SI秒慢一点点。[6]

地心坐标时英语Geocentric Coordinate Time(TCG)定义为与地心(地球中心)一起移动的参考系,原则上用于地球上和地球内部的现象,如地球自转和卫星的运动。出于与定义TDB相同的原因(TCG的SI秒比地球表面时钟量得的SI秒稍快,虽然幅度和前者相比小得多),这里也定义了地球时(TT),为TCG的缩放版本,缩放比例使其在大地水准面的单位等于SI秒。[8]

注释

  1. ^ 物理学中,由空间坐标和时间坐标标定的一点称为事件(相对论中,由一个时间坐标和三个空间坐标标定),所有事件的集合称为时空。观测物理事件的人称为观察者,将观察者模型化为不占任何空间的质点,并使其携有准确的时钟(标准钟),时钟的读值定义为该观察者的固有时。在时空所有的点设置观察者,所有观察者的集合称为参考系。在一坐标系中任一点 的时间坐标的值称为事件 在该系的坐标时。[1]:132-138
  2. ^ 也称坐标同时(coordinate simutaneous)[2]:82
  3. ^ 例如地心坐标时英语Geocentric Coordinate Time(TCG)和地球时(TT)[3]:955
  4. ^ 根据定义,质心坐标时不受太阳系引起的重力位影响
  5. ^ 坐标时标间的差异主要为周期性的[6]

相关条目

参考资料

  1. ^ 梁灿彬; 周彬. 微分几何入门与广义相对论 第二版 上册 2. 北京: 科学出版社. 2006-01. ISBN 7-03-016460-1.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 S. A. Klioner. The problem of clock synchronization - A relativistic approach. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 1992, 53 (1): 81–109. ISSN 0923-2958. doi:10.1007/BF00049363. (原始内容存档于2012年12月14日).
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 S. A. Klioner. Relativistic scaling of astronomical quantities and the system of astronomical units (PDF). Astronomy and Astrophysics. 2007-12-12,. 478 (2008). doi:10.1051/0004-6361:20077786. (原始内容存档 (PDF)于2018-03-02).
  4. ^ Theodore D. Moyer. Transformation from proper time on Earth to coordinate time in solar system barycentric space-time frame of reference (PDF). Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 1981-01, 23 (1): 33-56. doi:10.1007/BF01228543.
  5. ^ Seidelmann, P. K.; Fukushima, T. Why new time scales?. Astronomy & Astrophysics. 1992-11, 265 (2): 833–838. ISSN 0004-6361.
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 G M Clemence; V Szebehely. Annual variation of an atomic clock. Astronomical Journal. 1967-12, 72 (1): 1324–1326. doi:10.1086/110411.
  7. ^ IAU 2006 Resolution B3 (PDF). International Astronomical Union.
  8. ^ Resolutions of the IAU 2000 24th General Assembly (Manchester). IAU. 2000-08.

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