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時(shí)間基準(zhǔn)的原子時(shí)代

科學(xué)家們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到原子（和分子）具有諧振現(xiàn)象：每種化學(xué)元素和化合物都以自己的特性頻率吸收或發(fā)出電磁輻射。 這種諧振在時(shí)間和空間上非常穩(wěn)定，今天的氫原子或銫原子與一百萬(wàn)年前或另一個(gè)星系的氫原子或銫原子完全相同。這些原子可以構(gòu)成一種以固有頻率擺動(dòng)的“鐘擺”，而這種可重復(fù)的固有頻率正是精確時(shí)鐘的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)30年代和40年代雷達(dá)和甚高頻無(wú)線通訊的研制發(fā)現(xiàn)原子間的相互作用可以產(chǎn)生電磁波（微波）。研制原子鐘的工作是從氨分子的微波諧振的研究上開(kāi)始的。1949年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）建立了基于氨分子諧振原理的第一臺(tái)原子鐘。但是，這臺(tái)鐘的性能并不比當(dāng)時(shí)已有的標(biāo)準(zhǔn)好多少。所以，他們的研究很快轉(zhuǎn)移到更有希望的銫原子束裝置上。

與美國(guó)海軍觀象臺(tái)VSNO合作，英國(guó)于1955年在國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）建立了第一臺(tái)實(shí)用的銫原子頻率基準(zhǔn)，并用來(lái)測(cè)量天文時(shí)。NIST是最早開(kāi)始研制銫原子基準(zhǔn)的，但好幾年后它才完成了它第一個(gè)原子束裝置。不久后又建了第二臺(tái)，用于比對(duì)測(cè)試。

1960年，銫基準(zhǔn)進(jìn)一步完善，并用于NIST的官方守時(shí)系統(tǒng)。許多國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也研制了這類(lèi)基準(zhǔn)裝置，使得這種守時(shí)系統(tǒng)被廣泛采用。

1967年銫原子自然頻率被正式確認(rèn)為時(shí)間的國(guó)際單位制單位：秒被定義為銫原子9192631770個(gè)諧振頻率周期的時(shí)間，它取代了以前基于地球運(yùn)動(dòng)周期的定義。秒很快就成為科學(xué)家們所測(cè)量的最精確的物理量。 2002年1月，NIST首先采用“噴泉”技術(shù)的第八號(hào)銫鐘？穴代號(hào)NIST-F1？雪——最新的銫基準(zhǔn)每年僅有3千萬(wàn)分之一秒的誤差。

另外，還研制了一些其他不同用途的原子鐘；例如，有更穩(wěn)定的氫原子鐘，還有更緊湊、便宜和低耗的基于銣蒸氣微波吸收原理的原子鐘等。

現(xiàn)代生活越來(lái)越依靠于精確的時(shí)間。過(guò)去誤差一刻鐘的時(shí)鐘也許就夠用了，但現(xiàn)在不同，交通、通訊、金融、制造、電力和許多其他技術(shù)越來(lái)越依靠于精確的時(shí)鐘。科學(xué)研究和現(xiàn)代技術(shù)的需求促使我們研究更準(zhǔn)的時(shí)鐘。在NIST、USNO，在法國(guó)、德國(guó)以及世界其他實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)下一代的時(shí)間基準(zhǔn)。

當(dāng)我們繼續(xù)“時(shí)間漫步”的時(shí)候，我們將能看到NIST、USNO和位于巴黎的國(guó)際計(jì)量局（BIPM）等機(jī)構(gòu)正在幫助世界維持一個(gè)單一的、一致的時(shí)間體系。

時(shí)間及其單位秒

時(shí)間是什么？歷史上曾經(jīng)爭(zhēng)論不休。哲學(xué)家康德認(rèn)為時(shí)間和空間不是客觀存在的，而是人的先天的直觀形式。馬赫則把它看作是“感覺(jué)系列調(diào)整了的體系”，是用來(lái)整理認(rèn)識(shí)材料的工具。物理學(xué)家牛頓認(rèn)為時(shí)間是均勻流逝著的，它與空間和空間盛著什么物質(zhì)毫無(wú)關(guān)系，即在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，不論在什么系統(tǒng)中觀察都是同時(shí)的。

這種同時(shí)性的絕對(duì)觀念或“絕對(duì)時(shí)間”，與愛(ài)因斯坦相對(duì)論的觀念是截然相反的。根據(jù)狹義相對(duì)論原理，在度量時(shí)間進(jìn)程時(shí)，會(huì)看到運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘要比靜止的時(shí)鐘行進(jìn)得慢。根據(jù)廣義相對(duì)論原理，在較強(qiáng)的引力場(chǎng)中時(shí)鐘也行進(jìn)得較慢，即引力場(chǎng)中光譜線向紅端移動(dòng)?，F(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，特別是相對(duì)論的提出及其后來(lái)得到證實(shí)，都證明了辨證唯物主義關(guān)于時(shí)間、空間與運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)具有不可分割聯(lián)系的原理，無(wú)疑是正確的。

從計(jì)量學(xué)的角度來(lái)看，時(shí)間這個(gè)概念至少具有時(shí)間間隔和時(shí)刻兩種含義。前者是連續(xù)流逝的時(shí)間中兩個(gè)瞬時(shí)之間的間隔，即有起點(diǎn)和終點(diǎn)的一段時(shí)間，可用時(shí)間坐標(biāo)軸上的線段表示；后者則是這個(gè)線段上某一個(gè)點(diǎn)所表示的瞬間。前者表示事件持續(xù)的久暫，后者表示事件發(fā)生的遲早。

欲表示事件發(fā)生的時(shí)刻，首先要選取一個(gè)時(shí)刻作為起算的原點(diǎn)，然后以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間間隔作單位，在時(shí)間坐標(biāo)上計(jì)算事件發(fā)生的瞬間到原點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間坐標(biāo)就稱為“時(shí)標(biāo)”（time scale）。根據(jù)起算原點(diǎn)和時(shí)間單位的不同，可以建立不同的時(shí)標(biāo)，例如世界時(shí)、歷史時(shí)、國(guó)際原子時(shí)、協(xié)調(diào)世界時(shí)等。

而能連續(xù)不斷地維持時(shí)標(biāo)值或保持時(shí)標(biāo)，給出時(shí)刻和時(shí)間間隔的工作就稱為“守時(shí)”（time conservation）。守時(shí)的基本手段是鐘——指示時(shí)刻和計(jì)算時(shí)間間隔的計(jì)量器具，各種時(shí)標(biāo)都是通過(guò)守時(shí)鐘的讀數(shù)體現(xiàn)出來(lái)的。守時(shí)還需要科學(xué)的時(shí)標(biāo)計(jì)算方法和準(zhǔn)確的時(shí)間比對(duì)手段。2012一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試

我國(guó)遠(yuǎn)在公元前五百多年前，就利用“日晷”來(lái)觀測(cè)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的周期。以后又創(chuàng)造了沙漏、水漏、滴漏等守時(shí)工具。在中國(guó)歷史博物館至今還珍藏著元朝后期（1361年）創(chuàng)制的“銅壺滴漏”。

在國(guó)際單位制（SI）中，表示時(shí)間這個(gè)基本物理量的單位是秒（s），它經(jīng)歷了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是根據(jù)天體運(yùn)行周期，即宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律得到的。原子秒是根據(jù)原子振蕩周期，即微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律或微觀量子效應(yīng)得到的。

在天文秒中，世界時(shí)（UT）的秒是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期為基礎(chǔ)確定的，而歷書(shū)時(shí)（ET）則以地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期為基礎(chǔ)。地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間稱為“真太陽(yáng)日”，但地球同時(shí)還繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，且公轉(zhuǎn)軌道又不是圓形而是橢圓的，所以這個(gè)真太陽(yáng)日很不均勻，最長(zhǎng)的一天與最短的一天相差約51秒。

于是，人們把一年中真太陽(yáng)日的平均值定為平太陽(yáng)日，進(jìn)而把它的1/86400定為“平太陽(yáng)秒”。這就是最初的秒的定義，一直沿用到1960年第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）決定以歷書(shū)時(shí)（ET）的秒取而代之。實(shí)際上，地球自轉(zhuǎn)速度有長(zhǎng)期減慢趨勢(shì)并時(shí)有不規(guī)則變化，平太陽(yáng)秒的測(cè)量不確定度只有10-8。而地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)卻比自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定得多，所以歷書(shū)時(shí)要比世界時(shí)均勻。

但是，天文觀測(cè)畢竟繁瑣費(fèi)時(shí)，人們對(duì)宏觀天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律也難以全面掌握，而對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)量的需求卻愈來(lái)愈高。于是，利用微觀量子效應(yīng)來(lái)確定時(shí)間的呼聲高漲、進(jìn)展迅速，致使歷書(shū)時(shí)只用了7年，在1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，正式?jīng)Q定以原子秒取代天文秒：“秒是銫-133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9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”。

在秒的新定義中之所以采用這么多個(gè)周期，即把銫-133原子的振蕩周期積累這么多次，其目的是使原子秒與原來(lái)的天文秒盡量一致起來(lái)。眾所周知，原子的能級(jí)是非常穩(wěn)定的，躍遷時(shí)輻射信號(hào)的周期自然也非常穩(wěn)定，因此它比天文秒的穩(wěn)定性要高10萬(wàn)至100萬(wàn)倍以上。而且測(cè)量方便，準(zhǔn)確度高（10-13~10-14），容易復(fù)現(xiàn)，因此原子秒的這個(gè)定義一直沿用至今。

由上可見(jiàn)，不管是天文秒還是原子秒，說(shuō)到底都是根據(jù)時(shí)間不停流逝的特點(diǎn)，從周期性運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中截取周期的若干分之一（天文秒）或周期若干倍（原子秒）的方式來(lái)獲取的，并且大致上以地球自轉(zhuǎn)一周24小時(shí)為依據(jù)。計(jì)量學(xué)家們所追求的，只不過(guò)是選擇一種盡量穩(wěn)定準(zhǔn)確的、易于復(fù)現(xiàn)和觀測(cè)的周期運(yùn)動(dòng)而己。

世界時(shí)以公元的起點(diǎn)作為時(shí)標(biāo)原點(diǎn)，盡管不夠均勻穩(wěn)定，但它準(zhǔn)確反映了地球自轉(zhuǎn)的角位移，因而在大地測(cè)量、天文觀察和人類(lèi)生活方面仍有重要應(yīng)用。以原子秒積累起來(lái)的原子時(shí)（TA）則廣泛應(yīng)用于計(jì)量、衛(wèi)星和無(wú)線電通訊等領(lǐng)域，盡管均勻穩(wěn)定，卻沒(méi)有天然的時(shí)標(biāo)原點(diǎn)。于是，1971年第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用國(guó)際原子時(shí)（TAI），其起點(diǎn)是1958年1月1日0點(diǎn)，即在此刻它與世界時(shí)對(duì)準(zhǔn)看齊。

但是原子秒比平太陽(yáng)秒略短，兩者對(duì)齊后隨著時(shí)間的推移，原子時(shí)鐘的讀數(shù)會(huì)比世界時(shí)鐘讀數(shù)逐漸偏大。比方，從起點(diǎn)1958年到1995年末的38年間，原子時(shí)鐘比世界時(shí)鐘慢了近30秒。

為此，從兼顧不同方面的需要出發(fā)，國(guó)際上在1972年規(guī)定世界時(shí)與原子時(shí)應(yīng)保持一致，調(diào)整量為1秒。1975年又改為0.9秒：當(dāng)差值快接近0.9秒時(shí)，加或減一秒。這就是“閏秒”，它與公歷設(shè)閏年，農(nóng)歷設(shè)閏月的道理是相似的。

比方在格林尼治時(shí)間的0時(shí)區(qū)和西半球，1995年12月31日這一天不是平日的86400秒，而是86401秒，新年鐘聲推后了一秒鐘。再上一次發(fā)生在1994年6月30日末。這增加的一秒鐘即是閏秒，這種時(shí)間系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。自1972年實(shí)行協(xié)調(diào)世界時(shí)以來(lái)，已加設(shè)20個(gè)閏秒，均發(fā)生在年末或半年末。

所以，時(shí)間與空間一樣，人們是可以準(zhǔn)確度量或計(jì)量的。我國(guó)的時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院

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