作者：李孝輝  中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心  首發(fā)于 科學(xué)大院,，ID：kexuedayuan  編輯：撲克投資家,，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處

時(shí)間測(cè)量工具的發(fā)展，從最早的歷法制定到現(xiàn)在的秒以下的測(cè)量,，無不體現(xiàn)了人類科學(xué)技術(shù)的極大發(fā)展。

對(duì)“天”的測(cè)量

最古老的時(shí)間測(cè)量工具可以追溯到3500年前古埃及人發(fā)明的日晷,。日晷種類繁多,，有紀(jì)念碑一樣的大型裝置，也有地面傾斜小棍式,，還有可以隨手?jǐn)y帶的小型日晷,。

在農(nóng)牧社會(huì)，人類對(duì)時(shí)間的需求主要體現(xiàn)在農(nóng)事的安排時(shí)間上,，這一階段,，只要求有比較準(zhǔn)確的日歷即可。

提到日歷,，公元前2000年的瑪亞人已經(jīng)能夠制定比較精確的日歷,。而在公元前1800年，英國(guó)人制定的巨石陣等,，已經(jīng)可以用來確定夏至等重要的節(jié)日,，從而幫助人們?cè)谡_的時(shí)間進(jìn)行祭祀。

對(duì)天的測(cè)量

后來,，人們將一天的時(shí)間進(jìn)行了更詳細(xì)的劃分,，可以說，這是人類對(duì)時(shí)間測(cè)量的一大進(jìn)步,。

對(duì)“秒”的測(cè)量

在公元前700年,，巴比倫人就已經(jīng)開始把一天分成24小時(shí)，每小時(shí)60分鐘,，每分鐘60秒,。這種計(jì)時(shí)方式后來傳遍全世界，并一直沿用到現(xiàn)在,。

與之相對(duì)應(yīng)的,，人們有了進(jìn)行小時(shí)等更精細(xì)時(shí)間的測(cè)量的需求。在公元前100年，雅典出現(xiàn)以一天24小時(shí)為基礎(chǔ)的機(jī)械漏刻,，而公元100年,，中國(guó)東漢張衡發(fā)明的二級(jí)水鐘，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最為精密的時(shí)間測(cè)量,，每天的誤差只有40秒鐘,。

當(dāng)時(shí)，人們對(duì)時(shí)間的測(cè)量集中體現(xiàn)在對(duì)日歷的需求,，在中國(guó)元朝郭守敬制定的授時(shí)歷中,，對(duì)一年長(zhǎng)度的確定誤差只有26秒，是當(dāng)時(shí)的最高水平,。歐洲在300年后才達(dá)到相應(yīng)的精度,。

到了大航海時(shí)代，海上導(dǎo)航定位對(duì)時(shí)間提出了更高的要求,，這促進(jìn)了機(jī)械鐘的大發(fā)展,。

機(jī)械鐘最關(guān)鍵的擒縱機(jī)構(gòu)起源于我國(guó)。1094年,，宋代蘇頌發(fā)明水運(yùn)儀象臺(tái)并設(shè)計(jì)了完善的擒縱機(jī)構(gòu),。到1762年，英國(guó)哈里森研制出四代航海鐘,，精度逐步提高,，到H4（即哈利森研制出的第四代航海鐘）出現(xiàn)后，解決了當(dāng)時(shí)海上定位問題,，哈里森為此獲得了當(dāng)時(shí)英國(guó)設(shè)立的經(jīng)度獎(jiǎng)金,，使機(jī)械鐘的發(fā)展提高到一個(gè)新的高度。

1928年,，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出了第四代石英鐘,，每天誤差只有10微秒，而直到1960年,，美國(guó)惠普公司研制HP105B石英頻率標(biāo)準(zhǔn),，石英鐘才廣泛應(yīng)用起來。

到現(xiàn)在,，時(shí)鐘已經(jīng)從最早的靠天計(jì)時(shí),，轉(zhuǎn)變到了依靠人類自己制作的單擺、晶體振蕩器等具有周期現(xiàn)象的東西,。但這些仍然不能滿足人們探索宇宙,、追求極限的需求，這就促成了原子鐘的研究,。

對(duì)秒的測(cè)量

精益求精——秒以下的測(cè)量

根據(jù)量子物理學(xué)的基本原理,，原子由原子核和電子組成,，電子繞原子核高速旋轉(zhuǎn)。電子有不同的旋轉(zhuǎn)軌道,，在不同的旋轉(zhuǎn)軌道上,，電子具有不同的能量，這些能量是不連續(xù)的,，稱為能級(jí),。

電子在不同的能級(jí)之間可以躍遷，當(dāng)電子從一個(gè)“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時(shí),，它便會(huì)釋放電磁波,。這種電磁波的頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率,。同一種原子的同一種躍遷的共振頻率是一定的,，例如銫133的一個(gè)共振頻率為每秒9192631770赫茲。

1949年,，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局率先研制出氨分子原子鐘,。到1964年，惠普公司研制出商業(yè)化的銫原子鐘HP5060A,，實(shí)現(xiàn)了銫原子鐘的守時(shí)應(yīng)用。1991年,，HP5071A投入使用,，提高了時(shí)間測(cè)量的精度，到現(xiàn)在,，HP5071A是世界上應(yīng)用最多的守時(shí)原子鐘,。

在守時(shí)原子鐘廣泛應(yīng)用以后，人們修改了國(guó)際上對(duì)時(shí)間的統(tǒng)一定義,。1967年,，人們將秒的定義由世界時(shí)或者歷書時(shí)的長(zhǎng)周期分割改為原子時(shí)的短周期累計(jì)。

目前我們所使用的時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí),，是根據(jù)守時(shí)原子鐘計(jì)算出原子時(shí),，使用時(shí)根據(jù)世界時(shí)的觀測(cè)對(duì)原子鐘進(jìn)行閏秒，從而形成協(xié)調(diào)世界時(shí),。

對(duì)秒以下的測(cè)量

在原子時(shí)形成過程中,，需要基準(zhǔn)型原子鐘對(duì)原子時(shí)的頻率進(jìn)行校準(zhǔn)。國(guó)際上對(duì)基準(zhǔn)型原子鐘的研究非常重視,，基準(zhǔn)型原子鐘的發(fā)展也非常迅速,。

1952年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局研制出基準(zhǔn)型的銫原子鐘NBS1,，它每經(jīng)過1500萬(wàn)年才累計(jì)1秒的誤差,，后來，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)基準(zhǔn)型原子鐘不斷改進(jìn)，1998年研制的銫噴泉原子鐘NIST-F1,，準(zhǔn)能確度達(dá)到了10^-15,，相當(dāng)于運(yùn)行3000萬(wàn)年累計(jì)1秒誤差。

除了銫原子,，基準(zhǔn)型原子鐘也有利用其他元素的,，精度也越來越高。

2001年8月,，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局研制出汞離子光鐘,，經(jīng)過10億年誤差才能累計(jì)到1秒。2010年2月,，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局研制鋁離子鐘,，經(jīng)過37億年誤差才能累計(jì)到1秒。目前,，精度最高的是2016年發(fā)射成功的中國(guó)天宮二號(hào)上運(yùn)行的研制的冷原子鐘,。

原子鐘在地面上，由于原子運(yùn)動(dòng)的速度比較快,，原子的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響到輻射光子的頻率,，從而導(dǎo)致原子鐘的微小頻率偏差，人們?cè)诘孛媸褂眉す獾燃夹g(shù)來冷卻原子,，就是為了盡量減少原子鐘運(yùn)動(dòng)速度對(duì)光子頻率的影響,。

在空間環(huán)境，原子處于失重狀態(tài),，就更加容易冷卻,，這種環(huán)境下運(yùn)行的原子鐘能達(dá)到更高的精度。用通俗的話說,，對(duì)這樣的原子鐘的誤差,，如果從宇宙開始一秒一秒的累計(jì)，一直到現(xiàn)在也累計(jì)不到1秒,，是不是很厲害,？

把原子鐘放在空間的精度更高