「時間都去哪兒了」——時間計量的前世今生

出品：科普中國

製作：中國科學院國家授時中心?時間旅行者團隊

監製：中國科學院計算機網路信息中心

今天是2015年的最後一天，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。

宇宙中一切物質的起源和消亡，世間一切事物的產生和終結，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。日月更替，斗轉星移，花開花落，人類數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，而日益先進的人類文明使得我們能夠更準確的去感知時間。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，並由此誕生了一系列精度越來越高的計時器具。

1．時間的計量發展歷程

遠古時期，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，日晷出現，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計出水鍾；六百多年前出現了機械鐘；十七世紀，單擺被用於機械鐘的設計，使其計時精度提高了近百倍；二十世紀三十年代，石英鐘誕生，計時精度進一步被提高。

這些計時器具即我們概念中的「時鐘」，細數這些鐘的發展，最古老的鐘追溯至太陽鍾，例如圭表、日晷。有據可查的太陽鍾始於公元前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」。

之後出現水鍾，它屬於流體鐘的一種，除水鍾之外，流體鍾還包括沙鍾。水鍾和沙鍾都是使用一定數量的流體，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，這類不依賴於天文現象的「漏刻」計時儀器至少有4000年的歷史了。我國最早的機械鐘也出現在北宋時期，而歐洲的機械鐘出現於十三世紀，最早傳入我國的機械鐘在明朝萬曆年間，被獻於萬曆皇帝。

隨著社會發展的需求，對時鐘精度的要求越來越高，於是石英鐘應運而生，它是通過石英鐘內部穩定的石英振蕩器來計時的。隨著科技發展的要求，以及人類對精密測量的執著追求，石英鐘逐漸不能滿足要求，逐漸被精度高於它的鐘所代替，例如原子鐘。

原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時。由於這種輻射電磁波周期非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。最初並且最常用於原子鐘研製的元素有氫、銫、銣等鹼金屬。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。1967年，銫原子鐘被用來進行「秒」定義，即為無干擾的133Cs原子基態兩個超精細結構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」的時間計量標準時代，直到現在的「秒」定義仍由銫原子噴泉鍾保持。

1955年首次出現原子鐘

NIST的銫噴泉基準鍾

脈衝星是另外一種獨特的時間計量器具，它是一種高速旋轉的緻密中子星，自轉周期非常穩定。通過對脈衝星的計時觀測，可以建立高精度的時空參考架。利用脈衝星鍾建立和保持的綜合脈衝星時系統，有可能比目前的原子時系統具有更高的長期穩定度，並能獨立地檢測原子時的系統誤差。這種獨特的時間計量方式正在被科學家們研究中。

對於原子鐘，科學家不遺餘力地進行探索並取得了巨大的研究成果，他們研究出了比現行的基準鍾——銫原子鐘精度更高的時鐘，即光鍾，銫鐘作為基準鐘的地位受到嚴重衝擊。光頻標的研究得到了大力發展，這種利用以原子的光學波段共振頻率標準作為時間頻率基準的鐘——光學原子鐘，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」就是原子共振時發出的波長，波長越短意味著「尺子」的刻度越精細，測量也就越精確。光鍾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比微波原子鐘高出了100倍還多！隨著對光鍾研究的深入，人們已廣泛預言在本世紀的第二個十年內光鍾將被用於作為新的時間的定義。

2. 為何北京時間由陝西發布？

上世紀五十年代，美、蘇、日等發達國家就開始陸續建立了本國的標準時間及授時系統。新中國成立之初，百業待興，意識到標準時間頻率發播的深遠意義，毛主席便指出：「中國必須有中國的標準時間，中國的時間不能掌握在外國人手裡！」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播系統。

我國地域遼闊，東西相跨五個時區，首都北京處於國際時區劃分中的東八區，而授時台又必須建在我國中心地帶。於是「北京時間」的發布不在北京而在陝西，也就是中央人民廣播電台發出的標準時間是由中國科學院國家授時中心發播。每當整點鐘時，正在收聽廣播的收音機便會播出「嘟、嘟」的響聲。人們便以此校對自己鐘錶的快慢。

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足夠了，例如公司上班打卡，學校上課下課鈴聲，考試交卷的鈴聲，再說到購物中雙十一秒殺等等。可在某些領域, 用秒來計量時間,又太長。在我們的體育賽事中，運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，其發動機每分鐘轉動數千周, 為改變發動機的頻率,提高其運行的速度，時間測量要精確到0.01秒。

對於科研活動，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律，推動基礎科學研究的進步。如里德堡常數的測量、精細結構常數的穩定性測量、朗德因子的測量、荷質比的測量、引力紅移的測量、引力波探測等，其精度都直接取決於時間頻率的測量精度。這些測量和研究都是檢驗物理學基本理論（相對論、量子電動力學、引力場理論等）的重要方法，例如，通過測量精細結構常數隨時間變化檢驗廣義相對論，需要頻率測量精度優於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於10-18。此外，人們還通過將其它物理量的測量轉換為時間頻率的測量，間接實現對其它物理量測量精度的提高。目前已經完成了長度、電流、電壓、發光強度和溫度等物理量單位的定義或測量的轉換。

對於國家活動，以衛星導航為例，為提高GPS的精度，必須統一「鐘錶」的時間。但是即使精度達到三萬年有一秒誤差的原子鐘，由於相對論效應，都會與地面時鐘產生時間差，最終影響到GPS的定位效果。根據狹義相對論，因為人造衛星在運動，所以從地面上看時間過得慢，由於與光速相比人造衛星的飛行速度慢而存在一點誤差，搭載人造衛星的時鐘也會比地面鍾每天慢7微秒。之外，再根據廣義相對論，引力越強時間過得越慢。宇宙空間站的轉速越快，也就是其內部的人造引力越大，時間的變慢程度就越大。相反，從引力強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星上搭載的時鐘走得快。這裡的誤差為每天快46微秒，減去狹義相對論效應產生的人造衛星時間滯後7微秒，人造衛星的時鐘每天快39微秒。這個時間差對於GPS影響很大，距離的誤差等於時間的誤差乘以光速，僅僅39微秒的時間差導致GPS定位上出現12千米的誤差，導致GPS無法應用，無法起到導航的作用。不過我們根據狹義相對論和廣義相對論對這一誤差進行修正，使人造衛星和地面時鐘一致，便可放心使用GPS。

如今，伴隨著綜合國力的強大，中國已經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，也衷心祝願2016年里，我們都能珍惜時間，度過美妙的一年。

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