星期六, 3月 09, 2019

香港授時服務古與今

[香港授時服務古與今—許大偉科學主任]

1. 講者說自己設計了個熱身活動,需要找小朋友參與。但到場才發現科學館職員跟他說「這類講座通常都沒小朋友來」,現場的確全部都不年輕(包括方某)。

正當講者打算叫「現場自認年輕」的朋友出來時,竟然碰巧有家長帶個小男孩進場,眾人鼓掌。講者解嘲說「預測」正是科學主任的職責。(笑)

2. 科學館的宣傳用了電台「六響報時訊號」作引子,所以講者亦以此開場。電台那六響聲就是為了讓人準備把鐘錶同步對時。

「時間」其實有兩大元素,就是「規律」(穩定)和「同步」。

重量或者長度之類,可以靠五官觸覺去感受測量,那麼時間呢﹖
古人就靠觀測太陽決定日和年(測影子)、日和年中間就看月亮,所以古時測量時間就是天文範疇。亦因此相關的字如「晷」、「時」、「曆」字都有「日」字。

4. 1092年蘇頌的水運儀象台似乎是首個用了擒縱裝置的鐘,但未能留傳後世。
到1656年西方發現鐘擺,直到1930年代前還是最準確的計時裝置。

可是鐘擺是無法放在搖晃不定的船上準確計時,而無法確定時間就無法確定經度,誤差會令船隻容易撞上(本來已標注在海圖上可避開的)礁石遭難。直到18世紀,英國自學成才的鐘錶匹Henry Sully才發明了彈簧裝置的航海鐘,獲得英國海軍部的大筆獎金。這個航海鐘準確到每日只有幾秒誤差,一個月才有幾分鐘誤差。英國派船來回非洲長程測試最終也只差幾公里。

(方按﹕有本舊書《尋找地球刻度的人》介紹這個故事,但在下見過這本書沒空讀。)

5. 1883年天文台成立目的(岑台長稱為「開台三寶」)就是授時、地磁測量和天氣報告,其實這三項都是在服務航海需求。(校對時鐘確定經度、地磁測量用來校正羅更、天氣報告自然是用來避開氣旋)
(方按﹕有看官史《From Time Ball to Atomic Clock》的自然會知道,開台的錢也是向船隻額外抽稅而來,所以天文台一開始就是跟港務部門一起管的。對於天文台隸屬經濟科和商經局,根本不用套甚麼陰謀論。)

直到1885年元旦下午一時,天文台開始接管「降時間球」報時工作。當時做法是12:50會升起時間球,由於尖沙咀在海港中心所有船隻都會看見,可準備對時。到13:00就會降球,船隻就可以把時鐘校準。

1904年,天文台採用了格林威治平時
1950-1966,天文台以擺鐘為準,誤差為每天0.2秒。
1966年引入石英鐘,誤差為每天0.008秒,並以無線電波發放報時訊號。
1972年採用UTC協調世界時
1980年引入銫原子鐘(方按﹕原來比我年輕) 5071A,誤差為納秒(ns)級。(講者謂同一個5071A可以指同一公司的多種原子鐘,GPS衛星上的是最高級)
1999年開始網絡授時(NTP)。
2004年開始參與制訂UTC工作。
2016年開始支援IPv6網絡授時服務,誤差為千分一秒,如果使用專線可達微秒級。

6. 閏秒就是因為地球自轉不規則,而且因為「有人阻住地球轉」(講者開玩笑,其實是潮汐)大約每兩年會慢一秒,為了讓UTC和地球自轉同步,相差不超過0.9秒而引入。加閏秒由國際地球自轉局決定,講者笑言這個名字很像英雄片中出現的那類保護地球機構。
有人認為閏秒是不必要的,只要讓原子鐘時間繼續行走,會更加簡單。但對於一般人的生活而言,如果時間離日出日落的規律越來越遠也會造成困擾,所以繼續用閏秒。

7. UTC是由全球幾百個使用原子鐘的機構把數據交給國際度量衡局(BIPM)綜合起來,合成一個UTC,再交給各機構調校各自的原子鐘。而UTC = Universal Time Coordinated這個寫法之所以不像英文,就是因為當時英國和法國各自想用自己語文命名這個時間(英文CUT、法文TUC),所以為免偏頗一方就乾脆用了英文和法文都不像的UTC。

8. 講者總結,GPS為我們準確引路,背後仍靠掌握時間。科學上無論是頻率、距離(如光年)、速度、電訊等各方面,都是關乎時間。現時世人重視的5G技術也是一樣。

Q&A﹕

9. GPS受相對論作用影響,如何校對時間﹖
基於板塊移動香港的位置每年都偏移大約32mm,那麼我們怎樣知識香港和衛星的相對位置﹖講者表示這要依靠星曆和GPS的準備軌道,然後跟地面基站作比對。而對時仍是靠GPS。

10. 在下則拿科學館那句宣傳來問,電台的「六響報時訊號」為何要是六響﹖而不是四響、五響、或者十響﹖
講者表示沒有確切答案,但從文獻看應是源自BBC,他們差不多百年前決定了以「每停0.9秒響0.1秒」的六下響聲預告報時,成為了標準做法。
(方按﹕維基百科說是1924年開始,首五下是預告,第六下是長0.5秒的正式時間。)

有人問六響報時訊號的準確度,講者表示由天文台到香港電台的訊號誤差是微秒級。而香港電台到收音機之間的誤差沒有測量,但應該少於一秒,對日常生活校準時鐘已經足夠。
(需要更準確對時的人可向天文台訂購專門訊號,除了香港電台外,還會向中環廣場送訊號以驅動樓頂以不同顏色顯示時間)

11. 持續有人問到5G技術爭術,講者強調各國科技發展之間必定有互相競爭亦有互相妥協,因為每個國家都求進步但亦要互相依賴。5G並不是唯一或終極的高科技,未來必定有6G、7G等等,而這些新科技都是要依靠時間測量的科技。

12. 有人問及其他的原子鐘。其實廿多年前已有更準確的「氫鐘」但太重,而且受環境影響大、不夠穩定,所以仍是以銫原子鐘為標準。其他機構亦有使有其他的原子鐘,但新型原子鐘要發展到夠robust(硬淨)才能普及應用於全球不同地方作標準時間用途。

13. 有人問到低頻時碼台,方某碰巧也買了隻電波自動對時錶而感興趣。
講者指由於商丘已有電波台(方按﹕香港可收到商丘訊號,但位處範圍邊緣相對不大穩定。日本有兩個台但覆蓋範圍不包括香港,香港只收到商丘一個站的訊號),而據知中國當局亦有計劃在華南地區加站。低頻時碼台使用AM訊號,例如香港的AM電台訊號就可以傳到柬埔寨,以往東南亞較貧窮的時間就靠AM收取香港天氣預報自用。既然如此,香港已受到覆蓋,所以不需自行另外搞一個浪費資源。

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