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時間都去哪兒了？時間計量的前世今生

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，并由此誕生了一系列精度越來越高的計時器具。

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；我國北宋時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鐘，例如圭表、日晷。有據可查的太陽鐘始于公元前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，這類不依賴于天文現象的“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于十三世紀，最早傳入我國的機械鐘在明朝萬歷年間，被獻于萬歷皇帝。

隨著社會發展的需求，對時鐘精度的要求越來越高，于是石英鐘應運而生，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發出的電磁波來計時。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行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。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鐘保持。

脈沖星是另外一種獨特的時間計量器具，它是一種高速旋轉的致密中子星，自轉周期非常穩定。通過對脈沖星的計時觀測，可以建立高精度的時空參考架。利用脈沖星鐘建立和保持的綜合脈沖星時系統，有可能比目前的原子時系統具有更高的長期穩定度，并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。

　　對于原子鐘，科學家不遺余力地進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。光鐘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！隨著對光鐘研究的深入，人們已廣泛預言在本世紀的第二個十年內光鐘將被用于作為新的時間的定義。

李天初院士于2003年主持完成世界第4個激光冷卻-銫原子噴泉鐘，獲得2006年國家科技進步獎一等獎。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間系統提供計量支持和服務，迄今仍然是我國僅有的通過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。我國對國際原子時的最終確定不僅具有了話語權，而且擁有了表決權。

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