从日晷到原子钟，我们如何确定时间？

我供职于中国科学院国家授时中心，我们中心的研究对象是“时间”。

提及时间，常有人提出疑问，认为时间应是客观世界固有的存在。通过查看手机或腕表，时间似乎一目了然，为何仍需进行时间研究呢？实际上，我们所探讨的时间，更精确地讲，是指时间频率。这是一门极其重要的学科领域，而国家授时中心正是我国唯一的专门、全面从事时间频率基础研究和应用研究的科研机构，承担着我国国家标准时间（北京时间）的产生、保持和发播任务。

计时工具：从日晷到机械钟

在自然科学领域，时间是衡量事件发生瞬间及其持续过程的基本物理量，同时也是我们在日常生活中频繁使用的概念。时间通常与频率紧密相关联，二者合称为时间频率。时间涵盖了时刻与时间间隔两个要素。例如，我计划参加一场报告会，而该报告会定于上午八时开始，预计将持续两个小时，那么上午八时便代表了时刻，而两个小时则指的是时间间隔。

在现代社会中，“一秒”的定义是指铯-133原子基态的两个超精细能级间振荡跃迁9192631770次所持续的时间，这亦是目前人类测量精度最高的物理量。如今，我们获取时间信息更加便捷，只需随手拿起手机便能即刻得知。然而，在古代，人们是如何进行时间计量的呢？这里有三种古代时间的计量方法。

日晷：主要由晷面（也称为晷盘）和晷针（也称为表针或日规针）组成。在一天中，太阳从东方升起，向西方落下，其光线投射在晷面上的影子会随之移动。当太阳位于最高点（即正午时分），晷针的影子会指向晷面上的某个特定点，这个点通常被标记为“午时”或“中午”。通过观察晷针影子在晷面上的位置，并对照晷面上的时间刻度，可以确定当前的时间。

火钟：又称火闹钟，是古代人们利用火的燃烧来测量时间的一种装置，火钟利用火的稳定燃烧速度来计时。在特定的结构上，如一根香或蜡烛，上面串有棉线系住的铃铛或其他能发出声响的装置，当火燃烧到特定位置时，会烧断棉线使铃铛其落下发出声响，从而标记时间的流逝。每次铃铛的落下或声响的发出，都代表着一段时间（如一刻钟、一小时等）的结束，从而实现对时间的测量。

流体钟：包括刻漏、水运仪以及常见的沙漏，它们是利用水或沙子在重力作用下的稳定流动来计时。流体钟通过标记容器中的水位或收集流出的流体来测量时间。在刻漏中，当水从第一个桶滴入第二个桶时，可以通过观察第二个桶中水位的上升来估计时间的流逝。还有一种称漏，是通过称量水流进桶中的重量来计算时间。这就把质量测量和时间测量联系到了一起。流体钟在古代社会已经是一种相当可靠的计时工具，被广泛用于农业生产、宗教仪式和日常生活等各个领域。

到了近代，人类相继发明出摆钟、机械表、石英表以及电子表等精密计时仪器，这些仪器的测量精度显著提升，稳定性亦得到大幅增强。在一千多年前的北宋时期，技艺高超的工匠们创制了水钟，其精确度达到了每日仅10分钟的误差。大约600年前，机械钟的诞生进一步提升了计时的精确性。到了20世纪30年代，石英晶体振荡器的出现使得误差进一步缩小，能够达到300年仅误差一秒的水平。

原子钟的诞生

人类测量时间的精度在不断提高，那我们为什么需要这么高精度的时间呢？时间的精度对于我们来说又有多重要呢？

中国的天问一号探测器已成功抵达距离地球约5500万公里之遥的火星，并进行了近距离的探索研究。那么这一成就和时间有什么关联呢？实际上，其核心原理涉及了一个我们所熟知的基本公式——距离等于速度与时间的乘积。

探测器首先将被加速至11.2千米/秒的第二宇宙速度，在地球到火星这如此长的距离上，若探测器在地火转移轨道附近存在1千米的高度误差，那么它抵达火星时可能会产生高达10万公里的距离误差。因此，若探测器的时间精度无法达到千分之一秒的精度，其结果将不仅仅是与火星失之交臂，而是差之万里了。由此可见，在深空探测任务中，时间的精确度是一个至关重要的因素。

随着芯片等量子物理的出现，电脑、手机顺势而生，它们改变了我们的生活。人类只有控制在微秒甚至更高量级的时间，才能去更细致地研究原子、电子等微观粒子的特性。正如利用尺子测量，若其精确度未达到毫米级别，则无法对更小尺度的物体长度进行精确测量，进而无法深入研究其内部更细微的物理属性。因此，只有将时间的精确度提升至一定水平，我们才能探究原子、分子等微观粒子的性质及其寿命。

在国防领域，当前一些洲际导弹的最高速度已达到26马赫，相当于每秒800米。若我们的反应时间出现0.3秒的偏差，（即一眨眼的工夫，人类眨眼的时间在约200毫秒到400毫秒左右），导弹可能会偏离预定目标2.6公里。为了成功拦截此类导弹，对时间精度的要求必须达到万分之一秒。这种攻防之间的较量凸显了时间精确度的重要性。在现代信息化战争中，研究人员普遍认为原子钟的重要性甚至超过了原子弹。

原子钟如何工作？

铯-133原子基态超精细能级跃迁时辐射9,192,631,770个周期的持续时间被定义为一秒的时长。这一定义的实现装置被称为铯原子喷泉钟，它亦被视作人类活动时间的标准。所有涉及时间测量的仪器均需以这种原子钟为基准进行校准。

那么，这种钟与先前的钟有何区别呢？我们称它为冷原子钟，而先前的大多数原子钟属于热原子钟。在冷原子钟中，我们利用激光冷却技术将散逸的原子冷却成一个紧密的原子团。随后，通过将原子团向上抛投并使其下落，便能够探测到原子钟的性能。

原子的上抛和下落运动类似于喷泉的循环，因此这种装置被称作喷泉钟。它构成了现代时间计量的标准，与其他类型的原子钟存在显著差异。我们机构研发的首台彩色原子喷泉钟的主要特征在于其庞大的体积，大约需要占用一个约30平方米的洁净实验室空间。该装置对环境和房间条件的要求极为严苛，然而其性能已经能够确保在三千万年的时间跨度内误差不超过一秒。

冷原子光钟的精确度超越了喷泉钟两个数量级，未来有望成为我们时间基准的新标准。其原理基于光频，与先前的微波频率标准不同，它采用一台超窄线宽激光器取代了微波谐振腔，利用这种激光激发原子。

原子钟的运作机制相对简洁，其核心在于利用原子作为基准物质，构建一个类似电子振荡器的装置，该装置能够产生特定频段的微波频率以激发原子。当振荡器产生的电磁波频率与原子固有的振动频率相匹配时，原子将经历“能级跃迁”。这一现象表明，振荡器发射的频率与原子的共振频率相一致，我们便可以将这一频率作为原子的共振频率来使用，这构成了原子钟运作的基本原理。

原子钟的工作物质并不是特定的一种或者一类，最常用的是氢原子、铝原子，还有铯原子、锶原子，它们都可以去制作不同的原子钟。

评估原子钟性能的两个核心指标是频率稳定性和频率准确性。稳定性是指原子钟输出信号频率波动的程度，而准确性则描述了输出信号频率与既定标准值之间的匹配程度。以射箭为喻，原子钟既稳定又精确，类似于在射箭时准确命中靶心，这代表了准确性；而所有射箭结果均集中于靶心附近，则体现了其稳定性。

原子钟的类型繁多，其中氢原子钟采用氢原子作为其工作介质。氢原子具备稳定的能级跃迁频率，使其成为高精度时间测量的理想选择。此外，铯原子钟、铷原子钟以及铝原子钟等亦是常见的类型，这些原子钟不仅体积小巧，而且工程化程度高。

原子钟的应用领域

在天文学中，原子钟可以精确测量天体的位置和运动。通过对来自遥远天体的信号进行高精度时间标记，科学家能够更准确地计算天体之间的距离、相对运动速度等，为天体物理学的研究提供更精确的数据支持。

在卫星导航系统中，原子钟也是核心部件之一，其精度决定了导航系统的定位和授时精度。高精度的原子钟能够使卫星导航系统的定位更加准确，为人们的出行、航空航海等提供更可靠的导航服务。在未来人类深空探测中，随着人类探索范围不断扩大，对导航的精度要求越来越高。原子钟可以在遥远的距离上保持精确计时，为航天器的精确导航提供保障。

在地球科学研究方向，原子钟通过精确测量时间，对于监测地球的自转、极移等运动非常关键。通过长期的时间测量和对比，可以研究地球自转速度的变化、地极的移动等现象，为地球物理学、地质学等领域提供基础数据，帮助科学家理解地球内部结构和地球动力学过程。原子钟还可以帮助测定地球的形状、大小和地球重力场等，为地质科学和地球科学的研究提供重要的技术支持。

结语

随着5G技术的发展，无人驾驶技术的发展，我国也开始研制小型的芯片型原子钟。这种原子钟的体积只有硬币或者手指大小，十分轻便。未来，期待它可以被应用到更多场合和领域。

编辑：皮光宇

出品：科普中国

作者：陈江（中国科学院国家授时中心）

监制：中国科普博览