从石英钟到原子钟，一场关于精确的革命正在展开_风闻

文/观察未来科技

对时间的认识与对时间的计量是一个古老的学科，所谓“四方上下曰宇，往古来今曰宙”就是古人朴素的时空统一观念。基于天文时的天文历法一直是文明的一个重要标志，在农耕文明时代里，历法的精度会对社会生活产生重要影响。在现代工业时代里，社会学家刘易斯·芒福德（Lewis Mumford）则认为：“现代工业时代的关键机器，是时钟，而不是蒸汽机。”

如果说时钟是工业时代的关键机器，那么在信息时代，它仍然是关键机器**。**如果没有现代时钟，定义信息时代的机器——计算机，就无法存在。时钟不仅可以同步人的行为，还可以确定计算机每秒钟执行的数十亿次操作的速度。信息时代下，人们对于时钟的精确程度提出了更高的要求，于是，从石英钟到原子钟，一场关于精确的变革也由此展开。

用原子来测量时间

时钟的准确性，来自于其时间基准，摆钟的时基是钟摆。

600多年前，伽利略无意间发现当教堂里的吊灯在随风摇摆时，每次来回摆动的时间总是相近的。根据伽利略的见解，惠更斯成为制造出第一台高质量摆钟的人。1657年，惠更斯设计出的时钟代表了计时技术的巨大飞跃。此前，最好的时钟每天跑偏大概15分钟；而惠更斯的时钟，每天的误差仅为10秒。

不过，尽管在理想条件下，决定摆动时间的唯一两个因素是摆的长度和地球表面的重力加速度，**但即使地球非常接近一个完美的球体，即使由于重力而产生的加速度在任何地方几乎都是恒定的，这些微小的差别也可以叠加起来，****影响摆钟的精度。**于是，19世纪中叶，人们在摆钟装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表，使机械钟表的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平。

而从20世纪30年代开始，随着晶体振荡器的发明，小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟，广泛应用在电子计时器和其他各种计时领域，一直到现在，成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。

与摆钟不同，石英钟的时基是一块小小的石英晶体。当电压施加于石英晶体，它将进行高频率物理振动。振动的频率取决于许多因素，包括晶体的类型和形状，但通常，石英电子表的石英晶体以32768赫兹的频率振动。**数字电路会对这些振动计数，记录流逝的每一秒。**不过，这对于高速发展的信息时代依然不足够。

现代电子计算机在几千万分之一秒、几亿分之一秒，甚至十几亿分之一秒内要进行计算。现代技术需要有一种更精确的国际标准时间：如要有一秒钟误差，用六分仪导航的海员就可能产生1／4英里的偏差；相差1‰秒，宇宙飞船能飞出10米；每一秒钟，电子计算机可运算80万次。

为了满足信息化对于精确时间的需求，从20世纪40年代开始，时钟制造转向了以原子物理学和射电微波技术的原子钟，原子钟成为世界上最准确的钟**——**原子内部的电子在跃迁时会辐射出电磁波，而它的跃迁频率是极其稳定的。利用这种电磁波来控制电子振荡器，从而控制钟的走时，就是原子钟。

具体来看，原子，比如铯，有一种共振频率，也就是该频率的电磁辐射将导致它“振动”——振动指的是“绕轨道运行”的电子将跃迁到更高的能量级。用9192631770赫兹精确频率的微波辐射刺激，铯133同位素会共振。可以说，这一辐射频率就是原子钟的时间基准，而铯原子充当的是校准器的角色，确保频率正确。在这样的背景下，1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义：“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间。”

从此，时间的基本单位永久地脱离行星可观察的动力学，进入了单个元素的不可察觉行为的范畴。原子钟的准确程度，对惠更斯来说几乎是不可想象的。惠更斯的摆钟每天的误差可能达到10秒，而如果一台原子钟在地球形成的45亿年前开始计时，到今天它的误差大概也就不到10秒。

世界第一架原子钟——氨钟，是美国国家标准局于1949年制成的，这标志着时间计量和导时进入了新纪元。随后的十几年中，原子钟技术有了很大发展，先后又制成了铷钟、铯钟、氢钟等。到了1992年，原子钟已在世界上普遍使用。

原子钟革新了导航

自从有了原子钟，人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展，20世纪末达到了10-14量级，即误差约为1秒/300万年。

一如18世纪和19世纪最先进的时钟为航海导航带去了革命性的进步，信息时代的原子钟同样革新了导航。在原子钟基础上建立的全球定位导航系统（如美国的GPS），覆盖了整个地球98%的表面，这也将原子钟的信号广泛地应用到了人类活动的各个领域。

不管是在我们的智能手机上还是导弹头上，GPS都可以通过确定至少4颗卫星距离地球端接收器之间的距离，来进行定位。从相隔20000公里的卫星发送光速信号，用大约66毫秒可到达我们手里。如果我们距离卫星移动了10米，信号则还要再多用33纳秒（0.000000033秒）。

GPS接收器必须能捕捉到传输时间和到达时间之间如此微小的差异。为了实现这一目标，GPS不仅需要将数颗卫星送入太空，而且要在每颗卫星上放置一台原子钟。通过测量来自不同卫星的信号到达的时间差，GPS接收器可以使用三角测量法来计算其纬度、经度和海拔高度。今天的原子钟和GPS卫星不仅可以告知我们在什么位置，还能告诉我们如今正处于哪个地方。

由俄罗斯航空航天国防军运营的全球卫星导航系统（GLONASS）提供了全球定位系统（GPS）系统的替代方案，是全球覆盖范围和精度相当的第二个航行系统。GLONASS的时间（GLONASST）由GLONASS中央同步器生成，通常优于1000ns。与GPS不同，GLONASS时标实现了闰秒，如UTC。

由欧盟主导的伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system）则于2016年12月15日开始提供全球早期作战能力（EOC），提供第三个和第一个非军事应用的全球卫星导航系统。

伽利略系统时间（GST）也是一个连续的时间尺度，由精确计时设施在意大利富尔奇的伽利略控制中心的地面上生成。伽利略系统提供30ns的定时精度。每颗伽利略卫星都有两个无源氢脉泽和两个铷原子钟，用于船舶定时。伽利略导航消息包括GST、UTC和GPST之间的差异（以促进互操作性）。

中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。北斗时间（BDT）是从2006年1月1日0：00：00 UTC开始的连续时间刻度，并在100ns内与UTC同步。北斗卫星导航系统于2011年12月在中国投入运营，使用了10颗卫星，并于2012年12月开始向亚太地区的客户提供服务。

今天，我们对时间的测量，可以比对其他任何东西的测量都更精确。更甚至，空间都已经包含在了时间里：1米的定义是光在1/299792458秒中所传播的距离。

现代时钟除了体现在它们的分辨率和准确度上；还体现在它们的范围上。为了测量一粒盐、一个人或一辆卡车的重量，过去，人们需要3种类型极为不同的秤。相反，原子钟可以用来测量GPS卫星无线电信号的纳秒级延迟，也可以测量地球每年绕太阳运行的时间，并在地球运行变缓加上适当的闰秒。人类所构思或创造出来的设备，没有能在准确度或范围上超过时钟的。

关于精确的革命

**在原子钟发展的同时，**随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高。冷原子钟是通过降低原子温度，使原子能级跃迁频率更少地受到外界干扰，从而实现更高精度的原子钟。

目前，最准确的原子钟是将原子冷却到接近绝对零度的温度，用激光减慢原子热运动并在充满微波的空腔中的原子容器中对原子进行探测，对这些几乎不动的原子进行测量，结果会更加准确——地面上精确度最高的冷原子喷泉钟的误差已经缩小到1秒/3亿年，更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。比如，NIST-F1原子钟，它是美国的国家主要时间和频率标准之一。

**冷原子钟的下一步，是走向空间冷原子钟。与地面冷原子钟不同，空间冷原子钟****主要利用了空间的微重力环境。**在微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动。处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔，与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态，经由原子双能级探测器测出处于两种量子态上的原子数比例，获得原子跃迁概率，改变微波频率即可获得原子钟的冉赛条纹谱线，利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得高精度的时间频率标准信号。

**科学家们预计，**在微重力环境下所获得的冉赛条纹谱线线宽可达0.1Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，从而可以获得更高精度的原子钟信号。

可以说，原子钟为人类带来了精确革命，在空间环境下可靠运行的高精度冷原子钟应用于导航定位系统将会提升系统自主运行能力、提高导航定位精度。不仅如此，原子钟还为科学探索打开了全新的阶段。

爱因斯坦最大的贡献之一就是用相对论把原本独立的空间、时间和物质联系起来。在牛顿看来，时间也是绝对的。也就是说，任何事件，都在空间里有个一定的位置，都发生在时间里某个特定的时刻。而爱因斯坦终结了牛顿的绝对时间概念，引导人们走向时间的本质。相对论所提的，大家都知道的，一个人在女孩旁边坐着，和在火炉上坐着，感知到的时间也不一样。如果一味强调时间与空间相关，而忽略了时间与物质相关这个本质问题，那么就有可能偏离爱因斯坦的方向，这就导致所有的现代物理和空间探索都需要高精度原子钟。

由于空间冷原子钟可以在太空中对其他卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准，从而避免大气和电离层多变状态的影响，使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

这种能在空间环境下可靠运行的高精度原子钟应用于导航定位系统将会提升系统自主运行能力以及导航定位精度。**这在基础物理研究方面，在基础物理研究方面，对推进基本物理常数测量、广义相对论验证等精密测量的发展具有重要意义，**如引力红移测量、探测引力波、光速各向异性的测量、引力梯度测量以及暗物质等。毕竟，如今，“时间”已经成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量，通过各种物理转化，可以提高长度、磁场、电场、温度等其他基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。

当前，人类已经踏上了一场不断提高时间度量准确度的远征，从石英钟到原子钟，关于精确的变革或许还将带领人类进入一个全新的世界，在那个世界里，人们还将重新理解时间。