新的一年到來(lái)了。如果沒(méi)有計時(shí)，我們也就沒(méi)有時(shí)間概念，更遑論新的一年舊的一年啦。在這特別的時(shí)刻，我們一起來(lái)聊聊人類(lèi)的計時(shí)科技吧！

　　上下四方為宇，古往今來(lái)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，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，斗轉星移，花開(kāi)花落，人類(lèi)數千年的文明在時(shí)間的長(cháng)河中緩緩流淌，時(shí)間見(jiàn)證了這一切的變化，而日益先進(jìn)的人類(lèi)文明使得我們能夠更準確的去感知時(shí)間。早在人類(lèi)文明誕生之初，人類(lèi)便開(kāi)始通過(guò)對時(shí)間的計量來(lái)描述萬(wàn)事萬(wàn)物的變化，并由此誕生了一系列精度越來(lái)越高的計時(shí)器具。

　　《世界計量日》紀念郵票——我國首套以計量為主題的紀念郵票。該套郵票圍繞計量從古代到現代，從中國到世界，從日常生活到科技創(chuàng )新三條主線(xiàn)，展示了計量的悠久歷史和輝煌成就。

時(shí)間的計量發(fā)展歷程

　　遠古時(shí)期，人們以太陽(yáng)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(lèi)生活；公元前二世紀，日晷出現，提高了時(shí)間的計量精度；我國北宋時(shí)期的能工巧匠們設計出水鐘；六百多年前出現了機械鐘；十七世紀，單擺被用于機械鐘的設計，使其計時(shí)精度提高了近百倍；二十世紀三十年代，石英鐘誕生，計時(shí)精度進(jìn)一步被提高。

　　這些計時(shí)器具即我們概念中的“時(shí)鐘”，細數這些鐘的發(fā)展，最古老的鐘追溯至太陽(yáng)鐘，例如圭表、日晷。有據可查的太陽(yáng)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”?！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量的流體，通過(guò)測量流體在特定方式下流動(dòng)所需的時(shí)間來(lái)表示固定的時(shí)間間隔，這類(lèi)不依賴(lài)于天文現象的“漏刻”計時(shí)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(shí)期，而歐洲的機械鐘出現于十三世紀，最早傳入我國的機械鐘在明朝萬(wàn)歷年間，被獻于萬(wàn)歷皇帝。 

　　隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展的需求，對時(shí)鐘精度的要求越來(lái)越高，于是石英鐘應運而生，它是通過(guò)石英鐘內部穩定的石英振蕩器來(lái)計時(shí)的。隨著(zhù)科技發(fā)展的要求，以及人類(lèi)對精密測量的執著(zhù)追求，石英鐘逐漸不能滿(mǎn)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(lái)計時(shí)。由于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(jìn)行控制，原子鐘的計時(shí)就可以非常準確了。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到每100萬(wàn)年才誤差1秒。1967年，銫原子鐘被用來(lái)進(jìn)行“秒”定義，即為無(wú)干擾的133Cs原子基態(tài)兩個(gè)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(shuō)的國際原子時(shí)。從此開(kāi)啟了原子“秒”的時(shí)間計量標準時(shí)代，直到現在的“秒”定義仍由銫原子噴泉鐘保持。

　　脈沖星是另外一種獨特的時(shí)間計量器具，它是一種高速旋轉的致密中子星，自轉周期非常穩定。通過(guò)對脈沖星的計時(shí)觀(guān)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，有可能比目前的原子時(shí)系統具有更高的長(cháng)期穩定度，并能獨立地檢測原子時(shí)的系統誤差。這種獨特的時(shí)間計量方式正在被科學(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，他們研究出了比現行的基準鐘——銫原子鐘精度更高的時(shí)鐘，即光鐘，銫鐘作為基準鐘的地位受到嚴重沖擊。光頻標的研究得到了大力發(fā)展，這種利用以原子的光學(xué)波段共振頻率標準作為時(shí)間頻率基準的鐘——光學(xué)原子鐘，將人類(lèi)對時(shí)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(shí)間頻率時(shí)，它的“尺子”就是原子共振時(shí)發(fā)出的波長(cháng)，波長(cháng)越短意味著(zhù)“尺子”的刻度越精細，測量也就越精確。光鐘里原子共振的波長(cháng)要比微波原子鐘里的波長(cháng)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(zhù)對光鐘研究的深入，人們已廣泛預言在本世紀的第二個(gè)十年內光鐘將被用于作為新的時(shí)間的定義。

NIM5銫原子噴泉鐘 2000萬(wàn)年不差一秒

　　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)步獎一等獎。在此基礎上，研制了NIM5和NIM5-M 2臺第二型銫噴泉鐘，為北斗衛星的地面時(shí)間系統提供計量支持和服務(wù)，迄今仍然是我國僅有的通過(guò)驗收鑒定的三臺噴泉鐘。目前，“NIM5激光冷卻-銫原子噴泉鐘”不確定度為1.5×10-15秒，相當于2000萬(wàn)年不差一秒，去年被接收為國際計量局認可的基準鐘之一，參與駕馭國際原子時(shí)。我國對國際原子時(shí)的最終確定不僅具有了話(huà)語(yǔ)權，而且擁有了表決權。

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時(shí)間計量精度提升的意義何在？

　　從古到今，時(shí)間計量精度的不斷提升給民眾生活需求及國家活動(dòng)帶來(lái)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(shuō)到購物中雙十一秒殺等等?？稍谀承╊I(lǐng)域, 用秒來(lái)計量時(shí)間,又太長(cháng)。在我們的體育賽事中，運動(dòng)員的比賽成績(jì)需要精確到百分之一秒，也就是說(shuō)0.01秒的差距就決定著(zhù)冠軍的歸屬；出行的交通工具中，如汽車(chē)、飛機，其發(fā)動(dòng)機每分鐘轉動(dòng)數千周, 為改變發(fā)動(dòng)機的頻率,提高其運行的速度，時(shí)間測量要精確到0.01秒。

　　對于科研活動(dòng)，隨著(zhù)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律，推動(dòng)基礎科學(xué)研究的進(jìn)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(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物理學(xué)基本理論（相對論、量子電動(dòng)力學(xué)、引力場(chǎng)理論等）的重要方法，例如，通過(guò)測量精細結構常數隨時(shí)間變化檢驗廣義相對論，需要頻率測量精度優(yōu)于10-17；通過(guò)激光干涉檢驗引力波的存在，需要頻率測量精度優(yōu)于10-18。此外，人們還通過(guò)將其它物理量的測量轉換為時(shí)間頻率的測量，間接實(shí)現對其它物理量測量精度的提高。目前已經(jīng)完成了長(cháng)度、電流、電壓、發(fā)光強度和溫度等物理量單位的定義或測量的轉換。

　　對于國家活動(dòng)，以衛星導航為例，為提高GPS的精度，必須統一“鐘表”的時(shí)間。但是即使精度達到三萬(wàn)年有一秒誤差的原子鐘，由于相對論效應，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。根據狹義相對論，因為人造衛星在運動(dòng)，所以從地面上看時(shí)間過(guò)得慢，由于與光速相比人造衛星的飛行速度慢而存在一點(diǎn)誤差，搭載人造衛星的時(shí)鐘也會(huì )比地面鐘每天慢7微秒。之外，再根據廣義相對論，引力越強時(shí)間過(guò)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(shí)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(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產(chǎn)生的人造衛星時(shí)間滯后7微秒，人造衛星的時(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)間差導致GPS定位上出現12千米的誤差，導致GPS無(wú)法應用，無(wú)法起到導航的作用。不過(guò)我們根據狹義相對論和廣義相對論對這一誤差進(jìn)行修正，使人造衛星和地面時(shí)鐘一致，便可放心使用GPS。

　　如今，伴隨著(zhù)綜合國力的強大，中國已經(jīng)在世界上起著(zhù)舉足輕重的作用。我國授時(shí)也在以跨越式的速度發(fā)展，以便為我們國家的科研及民生提供最基本的時(shí)間保障，也衷心祝愿2016年里，我們都能珍惜時(shí)間，度過(guò)美妙的一年。