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精確的時(shí)間誤差

現(xiàn)代時(shí)間計(jì)量中的基本單位——秒，同克和米一樣，被人們?cè)谌粘Ｉ钪袕V泛應(yīng)用。石英鐘、石英表每月僅有幾秒的誤差，人們覺(jué)得很滿意。但在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，有時(shí)哪怕是百萬(wàn)分之一秒的誤差，情況就會(huì)完全不同。例如百米賽跑，在現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)水平上，有時(shí)精確到十分之一秒還難決出高低，必須精確到百分之一秒才能選出優(yōu)勝者。現(xiàn)代魚(yú)雷用一種高速****引爆，從引爆到爆炸只要二十幾個(gè)微秒。宇宙航行，對(duì)于時(shí)間要求更高。發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，各種復(fù)雜的測(cè)量?jī)x器控制設(shè)備，放在不同距離的位置上，他們必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始工作，并且運(yùn)行中時(shí)差不能超過(guò)幾萬(wàn)分之一秒；回收衛(wèi)星時(shí)，要嚴(yán)格控制反推火箭的點(diǎn)火時(shí)間，否則就“差之毫厘，謬之千里”，落下來(lái)的衛(wèi)星不知跑到哪里去了。因此，每一過(guò)程都需經(jīng)過(guò)精密的時(shí)間計(jì)量。另外大地測(cè)量、天文觀察、星際通訊、交通管理、鐵路運(yùn)輸、石油勘探……都和精密的時(shí)間計(jì)量密不可分，都需要相對(duì)精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

同任何一門學(xué)科一樣，精確的時(shí)間也隨著社會(huì)的需求，被提高到一個(gè)又一個(gè)新的準(zhǔn)確度等級(jí)。激光冷卻與囚禁原子是近十幾年發(fā)展起來(lái)的精密時(shí)間計(jì)量的一種物理方法，在激光對(duì)原子的作用下，不但使原子減速，甚至可使氣體原子冷卻到幾乎停止不動(dòng)，這樣就可精密地對(duì)原子觀察和測(cè)量。這種原子狀態(tài)可以做成精確達(dá)千萬(wàn)年不差1秒的原子鐘。

1949年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局依據(jù)一個(gè)氮原子在一個(gè)氨分子中的振蕩頻率來(lái)確定時(shí)間，制造出一座原子鐘，其誤差每3年為1秒。五年后，英國(guó)皇家物理實(shí)驗(yàn)室把銫原子用到時(shí)鐘上，做成了世界上第一座銫原子鐘，其誤差30萬(wàn)年為1秒。目前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的銫原子計(jì)時(shí)基準(zhǔn)鐘，是我國(guó)自己建造的大型銫原子鐘，其誤差達(dá)到1×10-14，30萬(wàn)年為1秒，均躋身于世界先進(jìn)行列。后來(lái)，其它類型的原子鐘相繼問(wèn)世。事實(shí)上，當(dāng)原子鐘作為時(shí)間計(jì)量的基準(zhǔn)器以后，計(jì)量人員仍在致力于進(jìn)一步改善生活中現(xiàn)有原子鐘各項(xiàng)性能指標(biāo)，并積極探索新的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)室工作和理論分析提出的新原理、新方法主要有：利用鉈元素研制“鉈原子鐘”；利用鎂和鈣的亞毫米束研制“鎂和鈣原子鐘”；利用離子的特殊結(jié)構(gòu)研制“離子鐘”；利用激光頻率標(biāo)準(zhǔn)研制“光子鐘”。現(xiàn)在上海天文臺(tái)制造的一臺(tái)氫原子鐘，誤差達(dá)到1000萬(wàn)年僅有1秒。當(dāng)前，世界上銫原子鐘振蕩頻率通常是數(shù)納秒？穴1秒的10億分之一？雪，是通過(guò)調(diào)整超高頻激光，使之和銫原子發(fā)射的光波頻率相匹配而實(shí)現(xiàn)的，準(zhǔn)確度可比最好的銫原子鐘高1000倍。

前幾年，有位德國(guó)科學(xué)家說(shuō)他發(fā)現(xiàn)了第109號(hào)新元素，這種新元素？穴尚未命名？雪的壽命只有五億分之一秒。可想而知，如果沒(méi)有高精度的計(jì)時(shí)鐘，人們難以研究物質(zhì)的微觀變化及其特性，就不會(huì)有新元素的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)技術(shù)也不會(huì)迅猛地向前發(fā)展。科學(xué)家們還預(yù)言，某些介子的壽命比這還短，大約只有0？郾14×10-25秒。這大概是人類將遇到的最短的時(shí)間誤差，他將是時(shí)間計(jì)量史上又一次新的革命。

據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家正在研制一座幾乎沒(méi)有誤差的鐘，其原理是：將水銀在真空中冷卻至接近絕對(duì)零度？穴攝氏零下273度？雪，此時(shí)，其振蕩頻率恒定。因此，該鐘的誤差100億年為1秒。多么精確的時(shí)間誤差？選這就是時(shí)間計(jì)量史上的一次又一次的無(wú)聲革命！

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