文/陳根
對時間的認識與對時間的計量是一個古老的學科，所謂“四方上下曰宇，往古來今曰宙”就是古人樸素的時空統(tǒng)一觀念?；谔煳臅r的天文歷法一直是文明的一個重要標志，在農(nóng)耕文明時代里，歷法的精度會對社會生活產(chǎn)生重要影響。在現(xiàn)代工業(yè)時代里，社會學家劉易斯·芒福德（Lewis Mumford）則認為：“現(xiàn)代工業(yè)時代的關鍵機器，是時鐘，而不是蒸汽機。”
如果說時鐘是工業(yè)時代的關鍵機器，那么在信息時代，它仍然是關鍵機器。如果沒有現(xiàn)代時鐘，定義信息時代的機器——計算機，就無法存在。時鐘不僅可以同步人的行為，還可以確定計算機每秒鐘執(zhí)行的數(shù)十億次操作的速度。信息時代下，人們對于時鐘的精確程度提出了更高的要求，于是，從石英鐘到原子鐘，一場關于精確的變革也由此展開。
用原子來測量時間
時鐘的準確性，來自于其時間基準，擺鐘的時基是鐘擺。
600多年前，伽利略無意間發(fā)現(xiàn)當教堂里的吊燈在隨風搖擺時，每次來回擺動的時間總是相近的。根據(jù)伽利略的見解，惠更斯成為制造出第一臺高質量擺鐘的人。1657年，惠更斯設計出的時鐘代表了計時技術的巨大飛躍。此前，最好的時鐘每天跑偏大概15分鐘；而惠更斯的時鐘，每天的誤差僅為10秒。
不過，盡管在理想條件下，決定擺動時間的唯一兩個因素是擺的長度和地球表面的重力加速度，但即使地球非常接近一個完美的球體，即使由于重力而產(chǎn)生的加速度在任何地方幾乎都是恒定的，這些微小的差別也可以疊加起來，影響擺鐘的精度。于是，19世紀中葉，人們在擺鐘裝置的基礎上逐漸發(fā)展出日益精密的機械鐘表，使機械鐘表的計時精度達到基本滿足人們?nèi)粘Ｓ嫊r需要的水平。
而從20世紀30年代開始，隨著晶體振蕩器的發(fā)明，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘，廣泛應用在電子計時器和其他各種計時領域，一直到現(xiàn)在，成為人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫闹饕嫊r裝置。
與擺鐘不同，石英鐘的時基是一塊小小的石英晶體。當電壓施加于石英晶體，它將進行高頻率物理振動。振動的頻率取決于許多因素，包括晶體的類型和形狀，但通常，石英電子表的石英晶體以32768赫茲的頻率振動。數(shù)字電路會對這些振動計數(shù)，記錄流逝的每一秒。不過，這對于高速發(fā)展的信息時代依然不足夠。
現(xiàn)代電子計算機在幾千萬分之一秒、幾億分之一秒，甚至十幾億分之一秒內(nèi)要進行計算?，F(xiàn)代技術需要有一種更精確的國際標準時間：如要有一秒鐘誤差，用六分儀導航的海員就可能產(chǎn)生1／4英里的偏差；相差1‰秒，宇宙飛船能飛出10米；每一秒鐘，電子計算機可運算80萬次。
為了滿足信息化對于精確時間的需求，從20世紀40年代開始，時鐘制造轉向了以原子物理學和射電微波技術的原子鐘，原子鐘成為世界上最準確的鐘——原子內(nèi)部的電子在躍遷時會輻射出電磁波，而它的躍遷頻率是極其穩(wěn)定的。利用這種電磁波來控制電子振蕩器，從而控制鐘的走時，就是原子鐘。
具體來看，原子，比如銫，有一種共振頻率，也就是該頻率的電磁輻射將導致它“振動”——振動指的是“繞軌道運行”的電子將躍遷到更高的能量級。用9192631770赫茲精確頻率的微波輻射刺激，銫133同位素會共振?？梢哉f，這一輻射頻率就是原子鐘的時間基準，而銫原子充當?shù)氖切势鞯慕巧?，確保頻率正確。在這樣的背景下，1967年第13屆國際計量大會將時間“秒”進行了重新定義：“1秒為銫原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9 192 631 770個周期所持續(xù)的時間。”
從此，時間的基本單位永久地脫離行星可觀察的動力學，進入了單個元素的不可察覺行為的范疇。原子鐘的準確程度，對惠更斯來說幾乎是不可想象的。惠更斯的擺鐘每天的誤差可能達到10秒，而如果一臺原子鐘在地球形成的45億年前開始計時，到今天它的誤差大概也就不到10秒。
世界第一架原子鐘——氨鐘，是美國國家標準局于1949年制成的，這標志著時間計量和導時進入了新紀元。隨后的十幾年中，原子鐘技術有了很大發(fā)展，先后又制成了銣鐘、銫鐘、氫鐘等。到了1992年，原子鐘已在世界上普遍使用。
原子鐘革新了導航
自從有了原子鐘，人類計時的精度以幾乎每十年提高一個數(shù)量級的速度飛速發(fā)展，20世紀末達到了10-14量級，即誤差約為1秒/300萬年。
一如18世紀和19世紀最先進的時鐘為航海導航帶去了革命性的進步，信息時代的原子鐘同樣革新了導航。在原子鐘基礎上建立的全球定位導航系統(tǒng)（如美國的GPS），覆蓋了整個地球98%的表面，這也將原子鐘的信號廣泛地應用到了人類活動的各個領域。
不管是在我們的智能手機上還是導彈頭上，GPS都可以通過確定至少4顆衛(wèi)星距離地球端接收器之間的距離，來進行定位。從相隔20000公里的衛(wèi)星發(fā)送光速信號，用大約66毫秒可到達我們手里。如果我們距離衛(wèi)星移動了10米，信號則還要再多用33納秒（0.000000033秒）。
GPS接收器必須能捕捉到傳輸時間和到達時間之間如此微小的差異。為了實現(xiàn)這一目標，GPS不僅需要將數(shù)顆衛(wèi)星送入太空，而且要在每顆衛(wèi)星上放置一臺原子鐘。通過測量來自不同衛(wèi)星的信號到達的時間差，GPS接收器可以使用三角測量法來計算其緯度、經(jīng)度和海拔高度。今天的原子鐘和GPS衛(wèi)星不僅可以告知我們在什么位置，還能告訴我們?nèi)缃裾幱?/strong>哪個地方。
由俄羅斯航空航天國防軍運營的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）提供了全球定位系統(tǒng)（GPS）系統(tǒng)的替代方案，是全球覆蓋范圍和精度相當?shù)牡诙€航行系統(tǒng)。GLONASS的時間（GLONASST）由GLONASS中央同步器生成，通常優(yōu)于1000ns。與GPS不同，GLONASS時標實現(xiàn)了閏秒，如UTC。
由歐盟主導的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo satellite navigation system）則于2016年12月15日開始提供全球早期作戰(zhàn)能力（EOC），提供第三個和第一個非軍事應用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
伽利略系統(tǒng)時間（GST）也是一個連續(xù)的時間尺度，由精確計時設施在意大利富爾奇的伽利略控制中心的地面上生成。伽利略系統(tǒng)提供30ns的定時精度。每顆伽利略衛(wèi)星都有兩個無源氫脈澤和兩個銣原子鐘，用于船舶定時。伽利略導航消息包括GST、UTC和GPST之間的差異（以促進互操作性）。
中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗時間（BDT）是從2006年1月1日0：00：00 UTC開始的連續(xù)時間刻度，并在100ns內(nèi)與UTC同步。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)于2011年12月在中國投入運營，使用了10顆衛(wèi)星，并于2012年12月開始向亞太地區(qū)的客戶提供服務。
今天，我們對時間的測量，可以比對其他任何東西的測量都更精確。更甚至，空間都已經(jīng)包含在了時間里：1米的定義是光在1/299792458秒中所傳播的距離。
現(xiàn)代時鐘除了體現(xiàn)在它們的分辨率和準確度上；還體現(xiàn)在它們的范圍上。為了測量一粒鹽、一個人或一輛卡車的重量，過去，人們需要3種類型極為不同的秤。相反，原子鐘可以用來測量GPS衛(wèi)星無線電信號的納秒級延遲，也可以測量地球每年繞太陽運行的時間，并在地球運行變緩加上適當?shù)拈c秒。人類所構思或創(chuàng)造出來的設備，沒有能在準確度或范圍上超過時鐘的。
關于精確的革命
在原子鐘發(fā)展的同時，隨著激光冷卻原子技術的發(fā)展，利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高。冷原子鐘是通過降低原子溫度，使原子能級躍遷頻率更少地受到外界干擾，從而實現(xiàn)更高精度的原子鐘。
目前，最準確的原子鐘是將原子冷卻到接近絕對零度的溫度，用激光減慢原子熱運動并在充滿微波的空腔中的原子容器中對原子進行探測，對這些幾乎不動的原子進行測量，結果會更加準確——地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘的誤差已經(jīng)縮小到1秒/3億年，更高精度的冷原子光鐘也在飛速發(fā)展中。比如，NIST-F1原子鐘，它是美國的國家主要時間和頻率標準之一。
冷原子鐘的下一步，是走向空間冷原子鐘。與地面冷原子鐘不同，空間冷原子鐘主要利用了空間的微重力環(huán)境。在微重力環(huán)境下，原子團可以做超慢速勻速直線運動。處于純量子基態(tài)上的原子經(jīng)過環(huán)形微波腔，與分離微波場兩次相互作用后產(chǎn)生量子疊加態(tài)，經(jīng)由原子雙能級探測器測出處于兩種量子態(tài)上的原子數(shù)比例，獲得原子躍遷概率，改變微波頻率即可獲得原子鐘的冉賽條紋譜線，利用該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度的時間頻率標準信號。
科學家們預計，在微重力環(huán)境下所獲得的冉賽條紋譜線線寬可達0.1Hz，比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個數(shù)量級，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。
可以說，原子鐘為人類帶來了精確革命，在空間環(huán)境下可靠運行的高精度冷原子鐘應用于導航定位系統(tǒng)將會提升系統(tǒng)自主運行能力、提高導航定位精度。不僅如此，原子鐘還為科學探索打開了全新的階段。
愛因斯坦最大的貢獻之一就是用相對論把原本獨立的空間、時間和物質聯(lián)系起來。在牛頓看來，時間也是絕對的。也就是說，任何事件，都在空間里有個一定的位置，都發(fā)生在時間里某個特定的時刻。而愛因斯坦終結了牛頓的絕對時間概念，引導人們走向時間的本質。相對論所提的，大家都知道的，一個人在女孩旁邊坐著，和在火爐上坐著，感知到的時間也不一樣。如果一味強調時間與空間相關，而忽略了時間與物質相關這個本質問題，那么就有可能偏離愛因斯坦的方向，這就導致所有的現(xiàn)代物理和空間探索都需要高精度原子鐘。
由于空間冷原子鐘可以在太空中對其他衛(wèi)星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準，從而避免大氣和電離層多變狀態(tài)的影響，使得基于空間冷原子鐘授時的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有更加精確和穩(wěn)定的運行能力。
這種能在空間環(huán)境下可靠運行的高精度原子鐘應用于導航定位系統(tǒng)將會提升系統(tǒng)自主運行能力以及導航定位精度。這在基礎物理研究方面，在基礎物理研究方面，對推進基本物理常數(shù)測量、廣義相對論驗證等精密測量的發(fā)展具有重要意義，如引力紅移測量、探測引力波、光速各向異性的測量、引力梯度測量以及暗物質等。畢竟，如今，“時間”已經(jīng)成為現(xiàn)代科學技術中測量準確度最高的基本物理量，通過各種物理轉化，可以提高長度、磁場、電場、溫度等其他基本物理量的測量精度，是現(xiàn)代物理計量的基礎。
當前，人類已經(jīng)踏上了一場不斷提高時間度量準確度的遠征，從石英鐘到原子鐘，關于精確的變革或許還將帶領人類進入一個全新的世界，在那個世界里，人們還將重新理解時間。
