文/陳根

       對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)與對(duì)時(shí)間的計(jì)量是一個(gè)古老的學(xué)科，所謂“四方上下曰宇,，往古來(lái)今曰宙”就是古人樸素的時(shí)空統(tǒng)一觀念,。基于天文時(shí)的天文歷法一直是文明的一個(gè)重要標(biāo)志,，在農(nóng)耕文明時(shí)代里,，歷法的精度會(huì)對(duì)社會(huì)生活產(chǎn)生重要影響。在現(xiàn)代工業(yè)時(shí)代里,，社會(huì)學(xué)家劉易斯·芒福德（Lewis Mumford）則認(rèn)為：“現(xiàn)代工業(yè)時(shí)代的關(guān)鍵機(jī)器,，是時(shí)鐘，而不是蒸汽機(jī)。”

       如果說(shuō)時(shí)鐘是工業(yè)時(shí)代的關(guān)鍵機(jī)器,，那么在信息時(shí)代,，它仍然是關(guān)鍵機(jī)器。如果沒(méi)有現(xiàn)代時(shí)鐘,，定義信息時(shí)代的機(jī)器——計(jì)算機(jī),，就無(wú)法存在。時(shí)鐘不僅可以同步人的行為,，還可以確定計(jì)算機(jī)每秒鐘執(zhí)行的數(shù)十億次操作的速度,。信息時(shí)代下，人們對(duì)于時(shí)鐘的精確程度提出了更高的要求,，于是,，從石英鐘到原子鐘，一場(chǎng)關(guān)于精確的變革也由此展開(kāi),。

用原子來(lái)測(cè)量時(shí)間

       時(shí)鐘的準(zhǔn)確性,，來(lái)自于其時(shí)間基準(zhǔn)，擺鐘的時(shí)基是鐘擺,。

       600多年前,，伽利略無(wú)意間發(fā)現(xiàn)當(dāng)教堂里的吊燈在隨風(fēng)搖擺時(shí)，每次來(lái)回?cái)[動(dòng)的時(shí)間總是相近的,。根據(jù)伽利略的見(jiàn)解,，惠更斯成為制造出第一臺(tái)高質(zhì)量擺鐘的人。1657年,，惠更斯設(shè)計(jì)出的時(shí)鐘代表了計(jì)時(shí)技術(shù)的巨大飛躍,。此前，最好的時(shí)鐘每天跑偏大概15分鐘,；而惠更斯的時(shí)鐘,，每天的誤差僅為10秒。

       不過(guò),，盡管在理想條件下,，決定擺動(dòng)時(shí)間的唯一兩個(gè)因素是擺的長(zhǎng)度和地球表面的重力加速度，但即使地球非常接近一個(gè)完美的球體,，即使由于重力而產(chǎn)生的加速度在任何地方幾乎都是恒定的,，這些微小的差別也可以疊加起來(lái)，影響擺鐘的精度,。于是,，19世紀(jì)中葉，人們?cè)跀[鐘裝置的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出日益精密的機(jī)械鐘表,，使機(jī)械鐘表的計(jì)時(shí)精度達(dá)到基本滿足人們?nèi)粘Ｓ?jì)時(shí)需要的水平,。

       而從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，隨著晶體振蕩器的發(fā)明，小型化,、低能耗的石英晶體鐘表代替了機(jī)械鐘,，廣泛應(yīng)用在電子計(jì)時(shí)器和其他各種計(jì)時(shí)領(lǐng)域，一直到現(xiàn)在,，成為人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫闹饕?jì)時(shí)裝置,。

       與擺鐘不同，石英鐘的時(shí)基是一塊小小的石英晶體,。當(dāng)電壓施加于石英晶體,，它將進(jìn)行高頻率物理振動(dòng)。振動(dòng)的頻率取決于許多因素,，包括晶體的類(lèi)型和形狀,，但通常，石英電子表的石英晶體以32768赫茲的頻率振動(dòng),。數(shù)字電路會(huì)對(duì)這些振動(dòng)計(jì)數(shù),，記錄流逝的每一秒。不過(guò),，這對(duì)于高速發(fā)展的信息時(shí)代依然不足夠,。

       現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)在幾千萬(wàn)分之一秒、幾億分之一秒,，甚至十幾億分之一秒內(nèi)要進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)代技術(shù)需要有一種更精確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間：如要有一秒鐘誤差，用六分儀導(dǎo)航的海員就可能產(chǎn)生1／4英里的偏差,；相差1‰秒，宇宙飛船能飛出10米,；每一秒鐘,，電子計(jì)算機(jī)可運(yùn)算80萬(wàn)次。

       為了滿足信息化對(duì)于精確時(shí)間的需求,，從20世紀(jì)40年代開(kāi)始,，時(shí)鐘制造轉(zhuǎn)向了以原子物理學(xué)和射電微波技術(shù)的原子鐘，原子鐘成為世界上最準(zhǔn)確的鐘——原子內(nèi)部的電子在躍遷時(shí)會(huì)輻射出電磁波,，而它的躍遷頻率是極其穩(wěn)定的,。利用這種電磁波來(lái)控制電子振蕩器，從而控制鐘的走時(shí),，就是原子鐘,。

       具體來(lái)看，原子,，比如銫,，有一種共振頻率，也就是該頻率的電磁輻射將導(dǎo)致它“振動(dòng)”——振動(dòng)指的是“繞軌道運(yùn)行”的電子將躍遷到更高的能量級(jí)。用9192631770赫茲精確頻率的微波輻射刺激,，銫133同位素會(huì)共振,。可以說(shuō),，這一輻射頻率就是原子鐘的時(shí)間基準(zhǔn),，而銫原子充當(dāng)?shù)氖切?zhǔn)器的角色，確保頻率正確,。在這樣的背景下,，1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將時(shí)間“秒”進(jìn)行了重新定義：“1秒為銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的9 192 631 770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間。”

       從此,，時(shí)間的基本單位永久地脫離行星可觀察的動(dòng)力學(xué),，進(jìn)入了單個(gè)元素的不可察覺(jué)行為的范疇。原子鐘的準(zhǔn)確程度,，對(duì)惠更斯來(lái)說(shuō)幾乎是不可想象的,。惠更斯的擺鐘每天的誤差可能達(dá)到10秒,，而如果一臺(tái)原子鐘在地球形成的45億年前開(kāi)始計(jì)時(shí),，到今天它的誤差大概也就不到10秒。

       世界第一架原子鐘——氨鐘,，是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局于1949年制成的,，這標(biāo)志著時(shí)間計(jì)量和導(dǎo)時(shí)進(jìn)入了新紀(jì)元。隨后的十幾年中,，原子鐘技術(shù)有了很大發(fā)展,，先后又制成了銣鐘、銫鐘,、氫鐘等,。到了1992年，原子鐘已在世界上普遍使用,。

原子鐘革新了導(dǎo)航

       自從有了原子鐘,，人類(lèi)計(jì)時(shí)的精度以幾乎每十年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度飛速發(fā)展，20世紀(jì)末達(dá)到了10-14量級(jí),，即誤差約為1秒/300萬(wàn)年,。

       一如18世紀(jì)和19世紀(jì)最先進(jìn)的時(shí)鐘為航海導(dǎo)航帶去了革命性的進(jìn)步，信息時(shí)代的原子鐘同樣革新了導(dǎo)航,。在原子鐘基礎(chǔ)上建立的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（如美國(guó)的GPS）,，覆蓋了整個(gè)地球98%的表面，這也將原子鐘的信號(hào)廣泛地應(yīng)用到了人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域,。

       不管是在我們的智能手機(jī)上還是導(dǎo)彈頭上,，GPS都可以通過(guò)確定至少4顆衛(wèi)星距離地球端接收器之間的距離,，來(lái)進(jìn)行定位。從相隔20000公里的衛(wèi)星發(fā)送光速信號(hào),，用大約66毫秒可到達(dá)我們手里,。如果我們距離衛(wèi)星移動(dòng)了10米，信號(hào)則還要再多用33納秒（0.000000033秒）,。

       GPS接收器必須能捕捉到傳輸時(shí)間和到達(dá)時(shí)間之間如此微小的差異,。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，GPS不僅需要將數(shù)顆衛(wèi)星送入太空,，而且要在每顆衛(wèi)星上放置一臺(tái)原子鐘,。通過(guò)測(cè)量來(lái)自不同衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，GPS接收器可以使用三角測(cè)量法來(lái)計(jì)算其緯度,、經(jīng)度和海拔高度,。今天的原子鐘和GPS衛(wèi)星不僅可以告知我們在什么位置，還能告訴我們?nèi)缃裾幱?/strong>哪個(gè)地方,。

       由俄羅斯航空航天國(guó)防軍運(yùn)營(yíng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）提供了全球定位系統(tǒng)（GPS）系統(tǒng)的替代方案,，是全球覆蓋范圍和精度相當(dāng)?shù)牡诙€(gè)航行系統(tǒng)。GLONASS的時(shí)間（GLONASST）由GLONASS中央同步器生成,，通常優(yōu)于1000ns,。與GPS不同，GLONASS時(shí)標(biāo)實(shí)現(xiàn)了閏秒,，如UTC,。

       由歐盟主導(dǎo)的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation system）則于2016年12月15日開(kāi)始提供全球早期作戰(zhàn)能力（EOC），提供第三個(gè)和第一個(gè)非軍事應(yīng)用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。

       伽利略系統(tǒng)時(shí)間（GST）也是一個(gè)連續(xù)的時(shí)間尺度,，由精確計(jì)時(shí)設(shè)施在意大利富爾奇的伽利略控制中心的地面上生成。伽利略系統(tǒng)提供30ns的定時(shí)精度,。每顆伽利略衛(wèi)星都有兩個(gè)無(wú)源氫脈澤和兩個(gè)銣原子鐘,，用于船舶定時(shí)。伽利略導(dǎo)航消息包括GST,、UTC和GPST之間的差異（以促進(jìn)互操作性）。

       中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System,，BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),。北斗時(shí)間（BDT）是從2006年1月1日0：00：00 UTC開(kāi)始的連續(xù)時(shí)間刻度，并在100ns內(nèi)與UTC同步,。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2011年12月在中國(guó)投入運(yùn)營(yíng),，使用了10顆衛(wèi)星，并于2012年12月開(kāi)始向亞太地區(qū)的客戶提供服務(wù),。

       今天,，我們對(duì)時(shí)間的測(cè)量,，可以比對(duì)其他任何東西的測(cè)量都更精確。更甚至,，空間都已經(jīng)包含在了時(shí)間里：1米的定義是光在1/299792458秒中所傳播的距離,。

       現(xiàn)代時(shí)鐘除了體現(xiàn)在它們的分辨率和準(zhǔn)確度上；還體現(xiàn)在它們的范圍上,。為了測(cè)量一粒鹽,、一個(gè)人或一輛卡車(chē)的重量，過(guò)去,，人們需要3種類(lèi)型極為不同的秤,。相反，原子鐘可以用來(lái)測(cè)量GPS衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)的納秒級(jí)延遲,，也可以測(cè)量地球每年繞太陽(yáng)運(yùn)行的時(shí)間,，并在地球運(yùn)行變緩加上適當(dāng)?shù)拈c秒。人類(lèi)所構(gòu)思或創(chuàng)造出來(lái)的設(shè)備,，沒(méi)有能在準(zhǔn)確度或范圍上超過(guò)時(shí)鐘的,。

關(guān)于精確的革命

       在原子鐘發(fā)展的同時(shí)，隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展,，利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時(shí)間測(cè)量的精度進(jìn)一步提高,。冷原子鐘是通過(guò)降低原子溫度，使原子能級(jí)躍遷頻率更少地受到外界干擾,，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的原子鐘,。

       目前，最準(zhǔn)確的原子鐘是將原子冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度,，用激光減慢原子熱運(yùn)動(dòng)并在充滿微波的空腔中的原子容器中對(duì)原子進(jìn)行探測(cè),，對(duì)這些幾乎不動(dòng)的原子進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確——地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘的誤差已經(jīng)縮小到1秒/3億年,，更高精度的冷原子光鐘也在飛速發(fā)展中,。比如，NIST-F1原子鐘,，它是美國(guó)的國(guó)家主要時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)之一,。

       冷原子鐘的下一步，是走向空間冷原子鐘,。與地面冷原子鐘不同,，空間冷原子鐘主要利用了空間的微重力環(huán)境。在微重力環(huán)境下,，原子團(tuán)可以做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng),。處于純量子基態(tài)上的原子經(jīng)過(guò)環(huán)形微波腔，與分離微波場(chǎng)兩次相互作用后產(chǎn)生量子疊加態(tài),，經(jīng)由原子雙能級(jí)探測(cè)器測(cè)出處于兩種量子態(tài)上的原子數(shù)比例,，獲得原子躍遷概率,，改變微波頻率即可獲得原子鐘的冉賽條紋譜線，利用該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),。

       科學(xué)家們預(yù)計(jì),，在微重力環(huán)境下所獲得的冉賽條紋譜線線寬可達(dá)0.1Hz，比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個(gè)數(shù)量級(jí),，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號(hào),。

       可以說(shuō)，原子鐘為人類(lèi)帶來(lái)了精確革命,，在空間環(huán)境下可靠運(yùn)行的高精度冷原子鐘應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會(huì)提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力,、提高導(dǎo)航定位精度。不僅如此,，原子鐘還為科學(xué)探索打開(kāi)了全新的階段,。

      愛(ài)因斯坦最大的貢獻(xiàn)之一就是用相對(duì)論把原本獨(dú)立的空間、時(shí)間和物質(zhì)聯(lián)系起來(lái),。在牛頓看來(lái),，時(shí)間也是絕對(duì)的。也就是說(shuō),，任何事件,，都在空間里有個(gè)一定的位置，都發(fā)生在時(shí)間里某個(gè)特定的時(shí)刻,。而愛(ài)因斯坦終結(jié)了牛頓的絕對(duì)時(shí)間概念,，引導(dǎo)人們走向時(shí)間的本質(zhì)。相對(duì)論所提的,，大家都知道的,，一個(gè)人在女孩旁邊坐著，和在火爐上坐著,，感知到的時(shí)間也不一樣,。如果一味強(qiáng)調(diào)時(shí)間與空間相關(guān)，而忽略了時(shí)間與物質(zhì)相關(guān)這個(gè)本質(zhì)問(wèn)題,，那么就有可能偏離愛(ài)因斯坦的方向,，這就導(dǎo)致所有的現(xiàn)代物理和空間探索都需要高精度原子鐘。

       由于空間冷原子鐘可以在太空中對(duì)其他衛(wèi)星上的星載原子鐘進(jìn)行無(wú)干擾的時(shí)間信號(hào)傳遞和校準(zhǔn),，從而避免大氣和電離層多變狀態(tài)的影響,，使得基于空間冷原子鐘授時(shí)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有更加精確和穩(wěn)定的運(yùn)行能力。

       這種能在空間環(huán)境下可靠運(yùn)行的高精度原子鐘應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會(huì)提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力以及導(dǎo)航定位精度,。這在基礎(chǔ)物理研究方面，在基礎(chǔ)物理研究方面,，對(duì)推進(jìn)基本物理常數(shù)測(cè)量,、廣義相對(duì)論驗(yàn)證等精密測(cè)量的發(fā)展具有重要意義,，如引力紅移測(cè)量、探測(cè)引力波,、光速各向異性的測(cè)量,、引力梯度測(cè)量以及暗物質(zhì)等。畢竟,，如今,，“時(shí)間”已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中測(cè)量準(zhǔn)確度最高的基本物理量，通過(guò)各種物理轉(zhuǎn)化,，可以提高長(zhǎng)度,、磁場(chǎng)、電場(chǎng),、溫度等其他基本物理量的測(cè)量精度,，是現(xiàn)代物理計(jì)量的基礎(chǔ)。

       當(dāng)前,，人類(lèi)已經(jīng)踏上了一場(chǎng)不斷提高時(shí)間度量準(zhǔn)確度的遠(yuǎn)征,，從石英鐘到原子鐘，關(guān)于精確的變革或許還將帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入一個(gè)全新的世界,，在那個(gè)世界里,，人們還將重新理解時(shí)間。