時間簡史：從宇宙誕生到現在誤差不到一秒，「鍾」的前世今生

作者：李孝輝 中國科學院國家授時中心 首發於 科學大院，ID：kexuedayuan 編輯：撲克投資家，轉載請註明出處

時間測量工具的發展，從最早的曆法制定到現在的秒以下的測量，無不體現了人類科學技術的極大發展。

對「天」的測量

最古老的時間測量工具可以追溯到3500年前古埃及人發明的日晷。日晷種類繁多，有紀念碑一樣的大型裝置，也有地面傾斜小棍式，還有可以隨手攜帶的小型日晷。

在農牧社會，人類對時間的需求主要體現在農事的安排時間上，這一階段，只要求有比較準確的日曆即可。

提到日曆，公元前2000年的瑪亞人已經能夠制定比較精確的日曆。而在公元前1800年，英國人制定的巨石陣等，已經可以用來確定夏至等重要的節日，從而幫助人們在正確的時間進行祭祀。

對天的測量

後來，人們將一天的時間進行了更詳細的劃分，可以說，這是人類對時間測量的一大進步。

對「秒」的測量

在公元前700年，巴比倫人就已經開始把一天分成24小時，每小時60分鐘，每分鐘60秒。這種計時方式後來傳遍全世界，並一直沿用到現在。

與之相對應的，人們有了進行小時等更精細時間的測量的需求。在公元前100年，雅典出現以一天24小時為基礎的機械漏刻，而公元100年，中國東漢張衡發明的二級水鍾，實現了當時最為精密的時間測量，每天的誤差只有40秒鐘。

當時，人們對時間的測量集中體現在對日曆的需求，在中國元朝郭守敬制定的授時歷中，對一年長度的確定誤差只有26秒，是當時的最高水平。歐洲在300年後才達到相應的精度。

到了大航海時代，海上導航定位對時間提出了更高的要求，這促進了機械鐘的大發展。

機械鐘最關鍵的擒縱機構起源於我國。1094年，宋代蘇頌發明水運儀象台並設計了完善的擒縱機構。到1762年，英國哈里森研製出四代航海鍾，精度逐步提高，到H4（即哈利森研製出的第四代航海鍾）出現後，解決了當時海上定位問題，哈里森為此獲得了當時英國設立的經度獎金，使機械鐘的發展提高到一個新的高度。

1928年，美國貝爾實驗室研製出了第四代石英鐘，每天誤差只有10微秒，而直到1960年，美國惠普公司研製HP105B石英頻率標準，石英鐘才廣泛應用起來。

到現在，時鐘已經從最早的靠天計時，轉變到了依靠人類自己製作的單擺、晶體振蕩器等具有周期現象的東西。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。

對秒的測量

精益求精——秒以下的測量

根據量子物理學的基本原理，原子由原子核和電子組成，電子繞原子核高速旋轉。電子有不同的旋轉軌道，在不同的旋轉軌道上，電子具有不同的能量，這些能量是不連續的，稱為能級。

電子在不同的能級之間可以躍遷，當電子從一個「能量態」躍遷至低的「能量態」時，它便會釋放電磁波。這種電磁波的頻率是不連續的，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的一個共振頻率為每秒9192631770赫茲。

1949年，美國國家標準局率先研製出氨分子原子鐘。到1964年，惠普公司研製出商業化的銫原子鐘HP5060A，實現了銫原子鐘的守時應用。1991年，HP5071A投入使用，提高了時間測量的精度，到現在，HP5071A是世界上應用最多的守時原子鐘。

在守時原子鐘廣泛應用以後，人們修改了國際上對時間的統一定義。1967年，人們將秒的定義由世界時或者曆書時的長周期分割改為原子時的短周期累計。

目前我們所使用的時間是協調世界時，是根據守時原子鐘計算出原子時，使用時根據世界時的觀測對原子鐘進行閏秒，從而形成協調世界時。

對秒以下的測量

在原子時形成過程中，需要基準型原子鐘對原子時的頻率進行校準。國際上對基準型原子鐘的研究非常重視，基準型原子鐘的發展也非常迅速。

1952年，美國國家標準局研製出基準型的銫原子鐘NBS1，它每經過1500萬年才累計1秒的誤差，後來，美國國家標準局對基準型原子鐘不斷改進，1998年研製的銫噴泉原子鐘NIST-F1，准能確度達到了10^-15，相當於運行3000萬年累計1秒誤差。

除了銫原子，基準型原子鐘也有利用其他元素的，精度也越來越高。

2001年8月，美國國家標準局研製出汞離子光鍾，經過10億年誤差才能累計到1秒。2010年2月，美國國家標準局研製鋁離子鍾，經過37億年誤差才能累計到1秒。目前，精度最高的是2016年發射成功的中國天宮二號上運行的研製的冷原子鐘。

原子鐘在地面上，由於原子運動的速度比較快，原子的運動會影響到輻射光子的頻率，從而導致原子鐘的微小頻率偏差，人們在地面使用激光等技術來冷卻原子，就是為了盡量減少原子鐘運動速度對光子頻率的影響。

在空間環境，原子處於失重狀態，就更加容易冷卻，這種環境下運行的原子鐘能達到更高的精度。用通俗的話說，對這樣的原子鐘的誤差，如果從宇宙開始一秒一秒的累計，一直到現在也累計不到1秒，是不是很厲害？

把原子鐘放在空間的精度更高