計(jì)時(shí)科技發(fā)展史

上下四方為宇，古往今來為宙。

　　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。

　　1．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；公元一千多年前，我國北宋時(shí)期的能工巧匠們設(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(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，以及人類對精密測量的執(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。

    NIST的銫噴泉基準(zhǔn)鐘

　　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。通過對脈沖星的計(jì)時(shí)觀測，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)具有更高的長期穩(wěn)定度，并能獨(dú)立地檢測原子時(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，將人類對時(shí)間、頻率的測量精度又大大的向前提升了一步！

　　因?yàn)樵�子鐘在測量時(shí)間頻率時(shí)，它的“尺子”就是原子共振時(shí)發(fā)出的波長，波長越短意味著“尺子”的刻度越精細(xì)，測量也就越精確。光鐘里原子共振的波長要比微波原子鐘里的波長短5個(gè)量級！目前最新光鐘的測量精度已經(jīng)比微波原子鐘高出了100倍還多！隨著對光鐘研究的深入，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。

　　2. 為何北京時(shí)間由陜西發(fā)布？ 

　　上世紀(jì)五十年代，美、蘇、日等發(fā)達(dá)國家就開始陸續(xù)建立了本國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間及授時(shí)系統(tǒng)。新中國成立之初，百業(yè)待興，意識到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率發(fā)播的深遠(yuǎn)意義，毛主席便指出：“中國必須有中國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，中國的時(shí)間不能掌握在外國人手里！”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(shí)間發(fā)播系統(tǒng)。

　　我國地域遼闊，東西相跨五個(gè)時(shí)區(qū)，首都北京處于國際時(shí)區(qū)劃分中的東八區(qū)，而授時(shí)臺又必須建在我國中心地帶。于是“北京時(shí)間”的發(fā)布不在北京而在陜西，也就是中央人民廣播電臺發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是由中國科學(xué)院國家授時(shí)中心發(fā)播。每當(dāng)整點(diǎn)鐘時(shí)，正在收聽廣播的收音機(jī)便會(huì)播出“嘟、嘟”的響聲。人們便以此校對自己鐘表的快慢。

　　3.時(shí)間計(jì)量精度提升的意義何在？ 

　　從古到今，時(shí)間計(jì)量精度的不斷提升給民眾生活需求及國家活動(dòng)帶來了哪些影響？

　　日常生活中，1秒的時(shí)間已非常短暫，時(shí)間精確到一秒已經(jīng)足夠了，例如公司上班打卡，學(xué)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(lǐng)域, 用秒來計(jì)量時(shí)間,又太長。在我們的體育賽事中，運(yùn)動(dòng)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(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)千周, 為改變發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率,提高其運(yùn)行的速度，時(shí)間測量要精確到0.01秒。

　　對于科研活動(dòng)，隨著時(shí)間頻率測量精度的提高，人們可以更深層次地探索自然規(guī)律，推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步。如里德堡常數(shù)的測量、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的穩(wěn)定性測量、朗德因子的測量、荷質(zhì)比的測量、引力紅移的測量、引力波探測等，其精度都直接取決于時(shí)間頻率的測量精度。這些測量和研究都是檢驗(yàn)物理學(xué)基本理論（相對論、量子電動(dòng)力學(xué)、引力場理論等）的重要方法，例如，通過測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間變化檢驗(yàn)廣義相對論，需要頻率測量精度優(yōu)于10-17；通過激光干涉檢驗(yàn)引力波的存在，需要頻率測量精度優(yōu)于10-18。此外，人們還通過將其它物理量的測量轉(zhuǎn)換為時(shí)間頻率的測量，間接實(shí)現(xiàn)對其它物理量測量精度的提高。目前已經(jīng)完成了長度、電流、電壓、發(fā)光強(qiáng)度和溫度等物理量單位的定義或測量的轉(zhuǎn)換。

　　對于國家活動(dòng)，以衛(wèi)星導(dǎo)航為例，為提高GPS的精度，必須統(tǒng)一“鐘表”的時(shí)間。但是即使精度達(dá)到三萬年有一秒誤差的原子鐘，由于相對論效應(yīng)，都會(huì)與地面時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)間差，最終影響到GPS的定位效果。根據(jù)狹義相對論，因?yàn)槿嗽煨l(wèi)星在運(yùn)動(dòng)，所以從地面上看時(shí)間過得慢，由于與光速相比人造衛(wèi)星的飛行速度慢而存在一點(diǎn)誤差，搭載人造衛(wèi)星的時(shí)鐘也會(huì)比地面鐘每天慢7微秒。之外，再根據(jù)廣義相對論，引力越強(qiáng)時(shí)間過得越慢。宇宙空間站的轉(zhuǎn)速越快，也就是其內(nèi)部的人造引力越大，時(shí)間的變慢程度就越大。相反，從引力強(qiáng)的地方到引力弱的地方，看上去時(shí)間會(huì)變快。因此從地球表面看，受到地球弱引力的人造衛(wèi)星上搭載的時(shí)鐘走得快。這里的誤差為每天快46微秒，減去狹義相對論效應(yīng)產(chǎn)生的人造衛(wèi)星時(shí)間滯后7微秒，人造衛(wèi)星的時(shí)鐘每天快39微秒。這個(gè)時(shí)間差對于GPS影響很大，距離的誤差等于時(shí)間的誤差乘以光速，僅僅39微秒的時(shí)間差導(dǎo)致GPS定位上出現(xiàn)12千米的誤差，導(dǎo)致GPS無法應(yīng)用，無法起到導(dǎo)航的作用。不過我們根據(jù)狹義相對論和廣義相對論對這一誤差進(jìn)行修正，使人造衛(wèi)星和地面時(shí)鐘一致，便可放心使用GPS。

    來源：科普中國