原子时的前世今生

在远古时期，人们日出而作，日落而息。在太阳一次次的升起又降落、天气变热又变冷的轮回中，聪明的古人逐渐认识到节气的变化规律，慢慢学会依据天象观测规划生产活动，人类初步有了时间的概念，这种依据天体观测获得的时间即称为天文时。这期间圭表、日晷、漏刻、沙漏、水运浑天仪等计时工具相继出现，这些工具或是依据天体的变化规律来计时、或是模拟天体的运行变化来计时，它们见证了历史的变迁、岁月的流转。

斗转星移，随着近代工业革命的发生，极大的推动了科技和生产力的发展，随之而来的是对于时间精确度要求的不断提高，特别是在第二次工业革命以后，量子力学、天体力学等学科的快速发展，推动了精密测量仪器—原子钟的诞生。

1948年，英国制造出世界上第一台原子钟，它基于铯原子的振荡周期来计时，使得时间计量的精度大大提升。随着原子钟技术的不断发展，在1967年10月印度新德里召开的第十三届国际计量大会决议将铯-133原子零场基态两个超精细能阶之间跃迁9192631770个周期所持续的时间来定义秒，同时，确定将1958年1月1日0时0分0秒作为计时起点。至此，基于原子钟的原子时研究开始转动命运的齿轮。

原子时是统筹原子钟钟组资源产生的一个相对连续、稳定、可靠、均匀的时间基准，原子时尺度降低了单台原子钟的不确定性，具有更高的频率稳定度。原子时对于精密时间的保持具有重要的意义，是标准时间产生的基础。

20世纪60年代，美国国家标准与技术研究院NIST提出了一种动态实时原子时计算方法，即AT1原子时算法。该方法考虑了最优稳定度、忽略测量的不确定度，采用加权平均思路、注重考虑原子钟频率的变化，实时性较强。原国际时间局BIH在20世纪70年代提出ALGOS原子时算法，该方法是国际权度局BIPM计算国际原子时TAI的基础。以上两种原子时方法是最为经典的原子时计算方法，一直沿用至今。

除此之外，在20世纪80年代出现基于Kalman（放弃权重的概念）模型的原子时研究，从20世纪90年代起陆续开始应用ARIMA 模型、最大似然估计模型、贝叶斯估计模型等产生原子时，近年来还有基于机器学习、深度学习发展起来的适用于原子钟噪声建模的原子时尺度计算方法，如ANN、CNN等方法。

国际标准时间的归算、地方标准时间的归算都有原子时的身影。国际原子时TAI，是国际权度局BIPM基于全球80多个守时实验室400多台（2024年度）不同类型原子钟，以GNSS PPP（全球卫星导航系统精密单点定位时间传递）和TWSTFT（卫星双向时间频率传递）等远距离时间频率比对技术，基于远程时间比对链路得到的全球各守时实验室原子钟与国际比对中心站的时差，运用ALGOS算法得到自由原子时EAL，随后经过基准频标校准得到国际原子时TAI，国际原子时TAI依据国际地球自传服务组织IERS公布的世界时数据闰秒，最后得到国际标准时间—协调世界时UTC。

地方守时实验室基于自身拥有的原子钟组资源产生的原子时常作为地方标准时间保持的驾驭控制参考，地方原子时是地方保持独立自主时间的基础。

时间是目前基本物理量中测量精度最高的物理量，在天文科学技术研究、发展与应用中具有基础性作用，现代天文学往往依赖时间标度来测量、校准观测数据，确保观测结果的准确性、可靠性以及连续性。针对原子时的研究为高精度时间产生奠定基础，是推动天文学发展的重要动力。 未来的原子时研究将融入更多如光钟、铯喷泉钟等基准频标，以进一步融合优势、提升性能。

作者简介

章宇，理学博士，中国科学院国家授时中心助理研究员。主要从事时间保持技术与方法研究。

本文转载自《中国科学院国家天文台》微信公众号

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