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時間基準(zhǔn)的原子時代

科學(xué)家們早就認(rèn)識到原子（和分子）具有諧振現(xiàn)象：每種化學(xué)元素和化合物都以自己的特性頻率吸收或發(fā)出電磁輻射。 這種諧振在時間和空間上非常穩(wěn)定，今天的氫原子或銫原子與一百萬年前或另一個星系的氫原子或銫原子完全相同。這些原子可以構(gòu)成一種以固有頻率擺動的“鐘擺”，而這種可重復(fù)的固有頻率正是精確時鐘的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)30年代和40年代雷達(dá)和甚高頻無線通訊的研制發(fā)現(xiàn)原子間的相互作用可以產(chǎn)生電磁波（微波）。研制原子鐘的工作是從氨分子的微波諧振的研究上開始的。1949年，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）建立了基于氨分子諧振原理的第一臺原子鐘。但是，這臺鐘的性能并不比當(dāng)時已有的標(biāo)準(zhǔn)好多少。所以，他們的研究很快轉(zhuǎn)移到更有希望的銫原子束裝置上。

與美國海軍觀象臺VSNO合作，英國于1955年在國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）建立了第一臺實(shí)用的銫原子頻率基準(zhǔn)，并用來測量天文時。NIST是最早開始研制銫原子基準(zhǔn)的，但好幾年后它才完成了它第一個原子束裝置。不久后又建了第二臺，用于比對測試。

1960年，銫基準(zhǔn)進(jìn)一步完善，并用于NIST的官方守時系統(tǒng)。許多國家實(shí)驗(yàn)室也研制了這類基準(zhǔn)裝置，使得這種守時系統(tǒng)被廣泛采用。

1967年銫原子自然頻率被正式確認(rèn)為時間的國際單位制單位：秒被定義為銫原子9192631770個諧振頻率周期的時間，它取代了以前基于地球運(yùn)動周期的定義。秒很快就成為科學(xué)家們所測量的最精確的物理量。 2002年1月，NIST首先采用“噴泉”技術(shù)的第八號銫鐘？穴代號NIST-F1？雪——最新的銫基準(zhǔn)每年僅有3千萬分之一秒的誤差。

另外，還研制了一些其他不同用途的原子鐘；例如，有更穩(wěn)定的氫原子鐘，還有更緊湊、便宜和低耗的基于銣蒸氣微波吸收原理的原子鐘等。

現(xiàn)代生活越來越依靠于精確的時間。過去誤差一刻鐘的時鐘也許就夠用了，但現(xiàn)在不同，交通、通訊、金融、制造、電力和許多其他技術(shù)越來越依靠于精確的時鐘。科學(xué)研究和現(xiàn)代技術(shù)的需求促使我們研究更準(zhǔn)的時鐘。在NIST、USNO，在法國、德國以及世界其他實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)下一代的時間基準(zhǔn)。

當(dāng)我們繼續(xù)“時間漫步”的時候，我們將能看到NIST、USNO和位于巴黎的國際計量局（BIPM）等機(jī)構(gòu)正在幫助世界維持一個單一的、一致的時間體系。

時間及其單位秒

時間是什么？歷史上曾經(jīng)爭論不休。哲學(xué)家康德認(rèn)為時間和空間不是客觀存在的，而是人的先天的直觀形式。馬赫則把它看作是“感覺系列調(diào)整了的體系”，是用來整理認(rèn)識材料的工具。物理學(xué)家牛頓認(rèn)為時間是均勻流逝著的，它與空間和空間盛著什么物質(zhì)毫無關(guān)系，即在一個系統(tǒng)中同時發(fā)生的兩個事件，不論在什么系統(tǒng)中觀察都是同時的。

這種同時性的絕對觀念或“絕對時間”，與愛因斯坦相對論的觀念是截然相反的。根據(jù)狹義相對論原理，在度量時間進(jìn)程時，會看到運(yùn)動的時鐘要比靜止的時鐘行進(jìn)得慢。根據(jù)廣義相對論原理，在較強(qiáng)的引力場中時鐘也行進(jìn)得較慢，即引力場中光譜線向紅端移動。現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，特別是相對論的提出及其后來得到證實(shí)，都證明了辨證唯物主義關(guān)于時間、空間與運(yùn)動著的物質(zhì)具有不可分割聯(lián)系的原理，無疑是正確的。

從計量學(xué)的角度來看，時間這個概念至少具有時間間隔和時刻兩種含義。前者是連續(xù)流逝的時間中兩個瞬時之間的間隔，即有起點(diǎn)和終點(diǎn)的一段時間，可用時間坐標(biāo)軸上的線段表示；后者則是這個線段上某一個點(diǎn)所表示的瞬間。前者表示事件持續(xù)的久暫，后者表示事件發(fā)生的遲早。

欲表示事件發(fā)生的時刻，首先要選取一個時刻作為起算的原點(diǎn)，然后以一個標(biāo)準(zhǔn)的時間間隔作單位，在時間坐標(biāo)上計算事件發(fā)生的瞬間到原點(diǎn)之間的時間間隔。這個時間坐標(biāo)就稱為“時標(biāo)”（time scale）。根據(jù)起算原點(diǎn)和時間單位的不同，可以建立不同的時標(biāo)，例如世界時、歷史時、國際原子時、協(xié)調(diào)世界時等。

而能連續(xù)不斷地維持時標(biāo)值或保持時標(biāo)，給出時刻和時間間隔的工作就稱為“守時”（time conservation）。守時的基本手段是鐘——指示時刻和計算時間間隔的計量器具，各種時標(biāo)都是通過守時鐘的讀數(shù)體現(xiàn)出來的。守時還需要科學(xué)的時標(biāo)計算方法和準(zhǔn)確的時間比對手段。2012一級注冊計量師考試

我國遠(yuǎn)在公元前五百多年前，就利用“日晷”來觀測地球繞太陽運(yùn)行的周期。以后又創(chuàng)造了沙漏、水漏、滴漏等守時工具。在中國歷史博物館至今還珍藏著元朝后期（1361年）創(chuàng)制的“銅壺滴漏”。

在國際單位制（SI）中，表示時間這個基本物理量的單位是秒（s），它經(jīng)歷了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是根據(jù)天體運(yùn)行周期，即宏觀運(yùn)動規(guī)律得到的。原子秒是根據(jù)原子振蕩周期，即微觀運(yùn)動規(guī)律或微觀量子效應(yīng)得到的。

在天文秒中，世界時（UT）的秒是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動周期為基礎(chǔ)確定的，而歷書時（ET）則以地球繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動周期為基礎(chǔ)。地球自轉(zhuǎn)一周的時間稱為“真太陽日”，但地球同時還繞太陽公轉(zhuǎn)，且公轉(zhuǎn)軌道又不是圓形而是橢圓的，所以這個真太陽日很不均勻，最長的一天與最短的一天相差約51秒。

于是，人們把一年中真太陽日的平均值定為平太陽日，進(jìn)而把它的1/86400定為“平太陽秒”。這就是最初的秒的定義，一直沿用到1960年第11屆國際計量大會（CGPM）決定以歷書時（ET）的秒取而代之。實(shí)際上，地球自轉(zhuǎn)速度有長期減慢趨勢并時有不規(guī)則變化，平太陽秒的測量不確定度只有10-8。而地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動卻比自轉(zhuǎn)運(yùn)動穩(wěn)定得多，所以歷書時要比世界時均勻。

但是，天文觀測畢竟繁瑣費(fèi)時，人們對宏觀天體運(yùn)動的規(guī)律也難以全面掌握，而對時間準(zhǔn)確計量的需求卻愈來愈高。于是，利用微觀量子效應(yīng)來確定時間的呼聲高漲、進(jìn)展迅速，致使歷書時只用了7年，在1967年第13屆國際計量大會上，正式?jīng)Q定以原子秒取代天文秒：“秒是銫-133原子基態(tài)的兩 個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間”。

在秒的新定義中之所以采用這么多個周期，即把銫-133原子的振蕩周期積累這么多次，其目的是使原子秒與原來的天文秒盡量一致起來。眾所周知，原子的能級是非常穩(wěn)定的，躍遷時輻射信號的周期自然也非常穩(wěn)定，因此它比天文秒的穩(wěn)定性要高10萬至100萬倍以上。而且測量方便，準(zhǔn)確度高（10-13~10-14），容易復(fù)現(xiàn)，因此原子秒的這個定義一直沿用至今。

由上可見，不管是天文秒還是原子秒，說到底都是根據(jù)時間不停流逝的特點(diǎn)，從周期性運(yùn)動現(xiàn)象中截取周期的若干分之一（天文秒）或周期若干倍（原子秒）的方式來獲取的，并且大致上以地球自轉(zhuǎn)一周24小時為依據(jù)。計量學(xué)家們所追求的，只不過是選擇一種盡量穩(wěn)定準(zhǔn)確的、易于復(fù)現(xiàn)和觀測的周期運(yùn)動而己。

世界時以公元的起點(diǎn)作為時標(biāo)原點(diǎn)，盡管不夠均勻穩(wěn)定，但它準(zhǔn)確反映了地球自轉(zhuǎn)的角位移，因而在大地測量、天文觀察和人類生活方面仍有重要應(yīng)用。以原子秒積累起來的原子時（TA）則廣泛應(yīng)用于計量、衛(wèi)星和無線電通訊等領(lǐng)域，盡管均勻穩(wěn)定，卻沒有天然的時標(biāo)原點(diǎn)。于是，1971年第14屆國際計量大會決定采用國際原子時（TAI），其起點(diǎn)是1958年1月1日0點(diǎn)，即在此刻它與世界時對準(zhǔn)看齊。

但是原子秒比平太陽秒略短，兩者對齊后隨著時間的推移，原子時鐘的讀數(shù)會比世界時鐘讀數(shù)逐漸偏大。比方，從起點(diǎn)1958年到1995年末的38年間，原子時鐘比世界時鐘慢了近30秒。

為此，從兼顧不同方面的需要出發(fā)，國際上在1972年規(guī)定世界時與原子時應(yīng)保持一致，調(diào)整量為1秒。1975年又改為0.9秒：當(dāng)差值快接近0.9秒時，加或減一秒。這就是“閏秒”，它與公歷設(shè)閏年，農(nóng)歷設(shè)閏月的道理是相似的。

比方在格林尼治時間的0時區(qū)和西半球，1995年12月31日這一天不是平日的86400秒，而是86401秒，新年鐘聲推后了一秒鐘。再上一次發(fā)生在1994年6月30日末。這增加的一秒鐘即是閏秒，這種時間系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時（UTC）。自1972年實(shí)行協(xié)調(diào)世界時以來，已加設(shè)20個閏秒，均發(fā)生在年末或半年末。

所以，時間與空間一樣，人們是可以準(zhǔn)確度量或計量的。我國的時間計量基準(zhǔn)由中國計量科學(xué)研究院

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