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时间都去哪儿了?时间计量的前世今生

减小 增大 作者:本站整理 来源:科普中国 发布时间:2016-01-04

  2015已是昨天,新的一年到来了。如果没有计时,我们也就没有时间概念,更遑论新的一年旧的一年啦。在这特别的时刻,我们一起来聊聊人类的计时科技吧!

  上下四方为宇,古往今来为宙。
宇宙中一切物质的起源和消亡,世间一切事物的产生和终结,地球上一切生命的诞生和灭亡,所有的这些与时间紧密相关。日月更替,斗转星移,花开花落,人类数千年的文明在时间的长河中缓缓流淌,时间见证了这一切的变化,而日益先进的人类文明使得我们能够更准确的去感知时间。早在人类文明诞生之初,人类便开始通过对时间的计量来描述万事万物的变化,并由此诞生了一系列精度越来越高的计时器具。

 

  《世界计量日》纪念邮票——我国首套以计量为主题的纪念邮票。该套邮票围绕计量从古代到现代,从中国到世界,从日常生活到科技创新三条主线,展示了计量的悠久历史和辉煌成就。


时间的计量发展历程

  远古时期,人们以太阳的东升西落作为时间尺度,因此便有“日出而作,日落而息”的人类生活;公元前二世纪,日晷出现,提高了时间的计量精度;我国北宋时期的能工巧匠们设计出水钟;六百多年前出现了机械钟;十七世纪,单摆被用于机械钟的设计,使其计时精度提高了近百倍;二十世纪三十年代,石英钟诞生,计时精度进一步被提高。

  这些计时器具即我们概念中的“时钟”,细数这些钟的发展,最古老的钟追溯至太阳钟,例如圭表、日晷。有据可查的太阳钟始于公元前2357-2258年的尧帝时期。《周礼•地官•大司徒》中有“以土圭之法测土深,正日景(影),以求地中”。《春官•典瑞》中也提到了“土圭以致四时日月,封国则以土地”。

   之后出现水钟,它属于流体钟的一种,除水钟之外,流体钟还包括沙钟。水钟和沙钟都是使用一定数量的流体,通过测量流体在特定方式下流动所需的时间来表示固定的时间间隔,这类不依赖于天文现象的“漏刻”计时仪器至少有4000年的历史了。我国最早的机械钟也出现在北宋时期,而欧洲的机械钟出现于十三世纪,最早传入我国的机械钟在明朝万历年间,被献于万历皇帝。 

  随着社会发展的需求,对时钟精度的要求越来越高,于是石英钟应运而生,它是通过石英钟内部稳定的石英振荡器来计时的。随着科技发展的要求,以及人类对精密测量的执着追求,石英钟逐渐不能满足要求,逐渐被精度高于它的钟所代替,例如原子钟。

   原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时。由于这种辐射电磁波周期非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。最初并且最常用于原子钟研制的元素有氢、铯、铷等碱金属。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。1967年,铯原子钟被用来进行“秒”定义,即为无干扰的133Cs原子基态两个超精细结构子能级之间微波频率跃迁周期的9,192,631,770倍,也就是我们通常所说的国际原子时。从此开启了原子“秒”的时间计量标准时代,直到现在的“秒”定义仍由铯原子喷泉钟保持。

  脉冲星是另外一种独特的时间计量器具,它是一种高速旋转的致密中子星,自转周期非常稳定。通过对脉冲星的计时观测,可以建立高精度的时空参考架。利用脉冲星钟建立和保持的综合脉冲星时系统,有可能比目前的原子时系统具有更高的长期稳定度,并能独立地检测原子时的系统误差。这种独特的时间计量方式正在被科学家们研究中。

    对于原子钟,科学家不遗余力地进行探索并取得了巨大的研究成果,他们研究出了比现行的基准钟——铯原子钟精度更高的时钟,即光钟,铯钟作为基准钟的地位受到严重冲击。光频标的研究得到了大力发展,这种利用以原子的光学波段共振频率标准作为时间频率基准的钟——光学原子钟,将人类对时间、频率的测量精度又大大的向前提升了一步!

  因为原子钟在测量时间频率时,它的“尺子”就是原子共振时发出的波长,波长越短意味着“尺子”的刻度越精细,测量也就越精确。光钟里原子共振的波长要比微波原子钟里的波长短5个量级!目前最新光钟的测量精度已经比微波原子钟高出了100倍还多!随着对光钟研究的深入,人们已广泛预言在本世纪的第二个十年内光钟将被用于作为新的时间的定义。

NIM5铯原子喷泉钟 2000万年不差一秒

 

  李天初院士于2003年主持完成世界第4个激光冷却-铯原子喷泉钟,获得2006年国家科技进步奖一等奖。在此基础上,研制了NIM5和NIM5-M 2台第二型铯喷泉钟,为北斗卫星的地面时间系统提供计量支持和服务,迄今仍然是我国仅有的通过验收鉴定的三台喷泉钟。目前,“NIM5激光冷却-铯原子喷泉钟”不确定度为1.5×10-15秒,相当于2000万年不差一秒,去年被接收为国际计量局认可的基准钟之一,参与驾驭国际原子时。我国对国际原子时的最终确定不仅具有了话语权,而且拥有了表决权。

 

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