時間都去哪兒了？時間計量的前世今生

早在人類文明誕生之初，人類便開始通過對時間的計量來描述萬事萬物的變化，并由此誕生了一系列精度越來越高的計時器具。

今天是2015年的最后一天，新的一年馬上就要到了。但如果沒有計時，我們也就沒有時間概念，更遑論新的一年舊的一年啦。今天，我們就一起聊聊人類的計時科技。

　　上下四方為宇，古往今來為宙。

　　宇宙中一切物質(zhì)的起源和消亡，世間一切事物的產(chǎn)生和終結(jié)，地球上一切生命的誕生和滅亡，所有的這些與時間緊密相關(guān)。日月更替，斗轉(zhuǎn)星移，花開花落，人類數(shù)千年的文明在時間的長河中緩緩流淌，時間見證了這一切的變化，而日益先進(jìn)的人類文明使得我們能夠更準(zhǔn)確的去感知時間。早在人類文明誕生之初，人類便開始通過對時間的計量來描述萬事萬物的變化，并由此誕生了一系列精度越來越高的計時器具。

　　1。時間的計量發(fā)展歷程

　　遠(yuǎn)古時期，人們以太陽的東升西落作為時間尺度，因此便有“日出而作，日落而息”的人類生活；公元前二世紀(jì)，日晷出現(xiàn)，提高了時間的計量精度；公元一千多年前，我國北宋時期的能工巧匠們設(shè)計出水鐘；六百多年前出現(xiàn)了機(jī)械鐘；十七世紀(jì)，單擺被用于機(jī)械鐘的設(shè)計，使其計時精度提高了近百倍；二十世紀(jì)三十年代，石英鐘誕生，計時精度進(jìn)一步被提高。

這些計時器具即我們概念中的“時鐘”，細(xì)數(shù)這些鐘的發(fā)展，最古老的鐘追溯至太陽鐘，例如圭表、日晷。有據(jù)可查的太陽鐘始于公元前2357-2258年的堯帝時期。《周禮?地官?大司徒》中有“以土圭之法測土深，正日景（影），以求地中”。《春官?典瑞》中也提到了“土圭以致四時日月，封國則以土地”。

　　之后出現(xiàn)水鐘，它屬于流體鐘的一種，除水鐘之外，流體鐘還包括沙鐘。水鐘和沙鐘都是使用一定數(shù)量的流體，通過測量流體在特定方式下流動所需的時間來表示固定的時間間隔，這類不依賴于天文現(xiàn)象的“漏刻”計時儀器至少有4000年的歷史了。我國最早的機(jī)械鐘也出現(xiàn)在北宋時期，而歐洲的機(jī)械鐘出現(xiàn)于十三世紀(jì)，最早傳入我國的機(jī)械鐘在明朝萬歷年間，被獻(xiàn)于萬歷皇帝。

隨著社會發(fā)展的需求，對時鐘精度的要求越來越高，于是石英鐘應(yīng)運(yùn)而生，它是通過石英鐘內(nèi)部穩(wěn)定的石英振蕩器來計時的。隨著科技發(fā)展的要求，以及人類對精密測量的執(zhí)著追求，石英鐘逐漸不能滿足要求，逐漸被精度高于它的鐘所代替，例如原子鐘。

　　原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時。由于這種輻射電磁波周期非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計時就可以非常準(zhǔn)確了。最初并且最常用于原子鐘研制的元素有氫、銫、銣等堿金屬。原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬年才誤差1秒。1967年，銫原子鐘被用來進(jìn)行“秒”定義，即為無干擾的133Cs原子基態(tài)兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級之間微波頻率躍遷周期的9，192，631，770倍，也就是我們通常所說的國際原子時。從此開啟了原子“秒”的時間計量標(biāo)準(zhǔn)時代，直到現(xiàn)在的“秒”定義仍由銫原子噴泉鐘保持。

1955年首次出現(xiàn)原子鐘1955年首次出現(xiàn)原子鐘

NIST的銫噴泉基準(zhǔn)鐘NIST的銫噴泉基準(zhǔn)鐘

　　脈沖星是另外一種獨(dú)特的時間計量器具，它是一種高速旋轉(zhuǎn)的致密中子星，自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定。通過對脈沖星的計時觀測，可以建立高精度的時空參考架。利用脈沖星鐘建立和保持的綜合脈沖星時系統(tǒng)，有可能比目前的原子時系統(tǒng)具有更高的長期穩(wěn)定度，并能獨(dú)立地檢測原子時的系統(tǒng)誤差。這種獨(dú)特的時間計量方式正在被科學(xué)家們研究中。

　　對于原子鐘，科學(xué)家不遺余力地進(jìn)行探索并取得了巨大的研究成果，他們研究出了比現(xiàn)行的基準(zhǔn)鐘——銫原子鐘精度更高的時鐘，即光鐘，銫鐘作為基準(zhǔn)鐘的地位受到嚴(yán)重沖擊。光頻標(biāo)的研究得到了大力發(fā)展，這種利用以原子的光學(xué)波段共振頻率標(biāo)準(zhǔn)作為時間頻率基準(zhǔn)的鐘——光學(xué)原子鐘，將人類對時間、頻率的測量精度又大大的向前提升了一步！

　　因為原子鐘在測量時間頻率時，它的“尺子”就是原子共振時發(fā)出的波長，波長越短意味著“尺子”的刻度越精細(xì)，測量也就越精確。光鐘里原子共振的波長要比微波原子鐘里的波長短5個量級！目前最新光鐘的測量精度已經(jīng)比微波原子鐘高出了100倍還多！隨著對光鐘研究的深入，人們已廣泛預(yù)言在本世紀(jì)的第二個十年內(nèi)光鐘將被用于作為新的時間的定義。

　　2。 為何北京時間由陜西發(fā)布？

　　上世紀(jì)五十年代，美、蘇、日等發(fā)達(dá)國家就開始陸續(xù)建立了本國的標(biāo)準(zhǔn)時間及授時系統(tǒng)。新中國成立之初，百業(yè)待興，意識到標(biāo)準(zhǔn)時間頻率發(fā)播的深遠(yuǎn)意義，毛主席便指出：“中國必須有中國的標(biāo)準(zhǔn)時間，中國的時間不能掌握在外國人手里！”1966年3月26日，周恩來總理親批要在中國腹地建立自己的時間發(fā)播系統(tǒng)。

　　我國地域遼闊，東西相跨五個時區(qū)，首都北京處于國際時區(qū)劃分中的東八區(qū)，而授時臺又必須建在我國中心地帶。于是“北京時間”的發(fā)布不在北京而在陜西，也就是中央人民廣播電臺發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)時間是由中國科學(xué)院國家授時中心發(fā)播。每當(dāng)整點(diǎn)鐘時，正在收聽廣播的收音機(jī)便會播出“嘟、嘟”的響聲。人們便以此校對自己鐘表的快慢。

　　3。時間計量精度提升的意義何在？

　　從古到今，時間計量精度的不斷提升給民眾生活需求及國家活動帶來了哪些影響？

　　日常生活中，1秒的時間已非常短暫，時間精確到一秒已經(jīng)足夠了，例如公司上班打卡，學(xué)校上課下課鈴聲，考試交卷的鈴聲，再說到購物中雙十一秒殺等等。可在某些領(lǐng)域， 用秒來計量時間，又太長。在我們的體育賽事中，運(yùn)動員的比賽成績需要精確到百分之一秒，也就是說0.01秒的差距就決定著冠軍的歸屬；出行的交通工具中，如汽車、飛機(jī)，其發(fā)動機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)動數(shù)千周， 為改變發(fā)動機(jī)的頻率，提高其運(yùn)行的速度，時間測量要精確到0.01秒。

　　對于科研活動，隨著時間頻率測量精度的提高，人們可以更深層次地探索自然規(guī)律，推動基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步。如里德堡常數(shù)的測量、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的穩(wěn)定性測量、朗德因子的測量、荷質(zhì)比的測量、引力紅移的測量、引力波探測等，其精度都直接取決于時間頻率的測量精度。這些測量和研究都是檢驗物理學(xué)基本理論（相對論、量子電動力學(xué)、引力場理論等）的重要方法，例如，通過測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化檢驗廣義相對論，需要頻率測量精度優(yōu)于10-17；通過激光干涉檢驗引力波的存在，需要頻率測量精度優(yōu)于10-18。此外，人們還通過將其它物理量的測量轉(zhuǎn)換為時間頻率的測量，間接實現(xiàn)對其它物理量測量精度的提高。目前已經(jīng)完成了長度、電流、電壓、發(fā)光強(qiáng)度和溫度等物理量單位的定義或測量的轉(zhuǎn)換。

　　對于國家活動，以衛(wèi)星導(dǎo)航為例，為提高GPS的精度，必須統(tǒng)一“鐘表”的時間。但是即使精度達(dá)到三萬年有一秒誤差的原子鐘，由于相對論效應(yīng)，都會與地面時鐘產(chǎn)生時間差，最終影響到GPS的定位效果。根據(jù)狹義相對論，因為人造衛(wèi)星在運(yùn)動，所以從地面上看時間過得慢，由于與光速相比人造衛(wèi)星的飛行速度慢而存在一點(diǎn)誤差，搭載人造衛(wèi)星的時鐘也會比地面鐘每天慢7微秒。之外，再根據(jù)廣義相對論，引力越強(qiáng)時間過得越慢。宇宙空間站的轉(zhuǎn)速越快，也就是其內(nèi)部的人造引力越大，時間的變慢程度就越大。相反，從引力強(qiáng)的地方到引力弱的地方，看上去時間會變快。因此從地球表面看，受到地球弱引力的人造衛(wèi)星上搭載的時鐘走得快。這里的誤差為每天快46微秒，減去狹義相對論效應(yīng)產(chǎn)生的人造衛(wèi)星時間滯后7微秒，人造衛(wèi)星的時鐘每天快39微秒。這個時間差對于GPS影響很大，距離的誤差等于時間的誤差乘以光速，僅僅39微秒的時間差導(dǎo)致GPS定位上出現(xiàn)12千米的誤差，導(dǎo)致GPS無法應(yīng)用，無法起到導(dǎo)航的作用。不過我們根據(jù)狹義相對論和廣義相對論對這一誤差進(jìn)行修正，使人造衛(wèi)星和地面時鐘一致，便可放心使用GPS。

　　如今，伴隨著綜合國力的強(qiáng)大，中國已經(jīng)在世界上起著舉足輕重的作用。國家授時中心也在以跨越式的速度發(fā)展，以便為我們國家的科研及民生提供最基本的時間保障，也衷心祝愿2016年里，我們都能珍惜時間，度過美妙的一年。科普中國