時(shí)間都去哪兒了？時(shí)間計(jì)量的前世今生
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(shí)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(shí)間的長(zhǎng)河中緩緩流淌，時(shí)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(shí)間。早在人類文明誕生之初，人類便開始通過對(duì)時(shí)間的計(jì)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(jì)時(shí)器具。
時(shí)間的計(jì)量發(fā)展歷程
遠(yuǎn)古時(shí)期，人們以太陽的東升西落作為時(shí)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(shí)間的計(jì)量精度；我國北宋時(shí)期的能工巧匠們?cè)O(shè)計(jì)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(jì)，使其計(jì)時(shí)精度提高了近百倍；二十世紀(jì)三十年代，石英鐘誕生，計(jì)時(shí)精度進(jìn)一步被提高。
這些計(jì)時(shí)器具即我們概念中的“時(shí)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(shí)期?！吨芏Y?地官?大司徒》中有“以土圭之法測(cè)土深，正日景（影），以求地中”?！洞汗?典瑞》中也提到了“土圭以致四時(shí)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(cè)量流體在特定方式下流動(dòng)所需的時(shí)間來表示固定的時(shí)間間隔，這類不依賴于天文現(xiàn)象的“漏刻”計(jì)時(shí)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(shí)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(huì)發(fā)展的需求，對(duì)時(shí)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(jì)時(shí)的。隨著科技發(fā)展的要求，以及人類對(duì)精密測(cè)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(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)。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(jì)時(shí)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(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級(jí)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(shí)。從此開啟了原子“秒”的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代，直到現(xiàn)在的“秒”定義仍由銫原子噴泉鐘保持。
脈沖星是另外一種獨(dú)特的時(shí)間計(jì)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(duì)脈沖星的計(jì)時(shí)觀測(cè)，可以建立高精度的時(shí)空參考架。利用脈沖星鐘建立和保持的綜合脈沖星時(shí)系統(tǒng)，有可能比目前的原子時(shí)系統(tǒng)具有更高的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，并能獨(dú)立地檢測(cè)原子時(shí)的系統(tǒng)誤差。這種獨(dú)特的時(shí)間計(jì)量方式正在被科學(xué)家們研究中。
對(duì)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(shí)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(shí)間頻率基準(zhǔn)的鐘——光學(xué)原子鐘，將人類對(duì)時(shí)間、頻率的測(cè)量精度又大大的向前提升了一步！
因?yàn)樵隅娫跍y(cè)量時(shí)間頻率時(shí)，它的“尺子”就是原子共振時(shí)發(fā)出的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越短意味著“尺子”的刻度越精細(xì)，測(cè)量也就越精確。光鐘里原子共振的波長(zhǎng)要比微波原子鐘里的波長(zhǎng)短5個(gè)量級(jí)！目前最新光鐘的測(cè)量精度已經(jīng)比微波原子鐘高出了100倍還多！隨著對(duì)光鐘研究的深入，人們已廣泛預(yù)言在本世紀(jì)的第二個(gè)十年內(nèi)光鐘將被用于作為新的時(shí)間的定義。
李天初院士于2003年主持完成世界第4個(gè)激光冷卻-銫原子噴泉鐘，獲得2006年國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。在此基礎(chǔ)上，研制了NIM5和NIM5-M 2臺(tái)第二型銫噴泉鐘，為北斗衛(wèi)星的地面時(shí)間系統(tǒng)提供計(jì)量支持和服務(wù)，迄今仍然是我國僅有的通過驗(yàn)收鑒定的三臺(tái)噴泉鐘。目前，“NIM5激光冷卻-銫原子噴泉鐘”不確定度為1.5×10-15秒，相當(dāng)于2000萬年不差一秒，去年被接收為國際計(jì)量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，參與駕馭國際原子時(shí)。我國對(duì)國際原子時(shí)的最終確定不僅具有了話語權(quán)，而且擁有了表決權(quán)。
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