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& 新型原子钟：计时精度达3亿年之一秒
新型原子钟：计时精度达3亿年之一秒
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从日晷到铯原子钟
日期： 08:13
来源: 互联网
发布者:刘度温
在古代，人们没有计量时间的工具，只是以太阳升降来判断时间的早晚，因此有&日出而作，日入而息&之语。但是，中华民族是一个充满智慧的民族，早在周汉时期，就有了计量时间的仪器。最早的计时器是一种水时计&&漏壶，据《隋志》记载：&漏刻之制，盖始于黄帝。&足见其出现之早。另一种计时器叫做日晷，它是在圆形的石板中间竖立一根铁针，石板周围刻着时辰标记，随太阳的东升西落，铁针的影子就能指示出时间来。元代郭守敬在河南登封建立的观星台，表高40尺，圭长128尺，重18吨，使日影长度读数可准到0.1毫米。至今，北京故宫博物院还存有日晷这一古老的优秀文化遗产。十六世纪中叶，意大利物理学家伽利略从教堂中的吊灯中受到启示，发明了摆钟，从此钟表就诞生了。不过，当时钟表极其简陋，只有一根指示&小时&的时针，只有到了十八世纪才出现了分针，秒针是在十九世纪才出现的。人们将一天分为24小时，1小时60分钟，1分钟60秒。一秒钟就是一个平均太阳日的1/86400。&&&& 随着科学技术的发展，钟表业也在飞速发展。从机械摆钟到电子手表，各种钟表，五花八门，应有尽有。对于我们日常中的计时，这些钟表就已足够了。但是，地球的自转并不是一天 24小时丝毫不差，它在10年左右就会相差一秒。例如1992年就要润一秒钟。因此，更精确的计时标准势在必行。1967年第十三届国际权度会议通过了新的时间标准：1秒钟=铯原子振动次所经历的时间。这种铯原子钟即使用三十万年，误差仅一秒！1992年的润秒就是由这一铯原子钟所确定的。目前，科学家们又在探索更高标准的计时系统，理论上预言用激光所建立起来的时间标准的精度还可以提高一万倍！
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时间为何350万年不差一秒 铯原子钟能满足(图)
日09:09 　
激光冷却原子喷泉钟示意图
　　用广播传递的时间，准确度是十分之一秒；田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负；汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；炮弹发射是在千分之一秒内发生的；雷达技术需要百万分之一秒的时间精度；导弹或使用全球定位系统的飞行器计时精度需要达到十亿分之一秒；对核潜艇进行无线电导航，时间精度要达到百万分之一秒；科学家研究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；要准确测量光速需要百亿分之一秒的准确度。从这些实例中我们认识到人类为什么要不断提高计量时间频率的精度了———
　　在日常生活中，时间总是一刻不离地伴随着我们的日常生活和社会生产活动。黎明的曙光、绮丽的晚霞，枫叶的红绿、大雁南来北往，天体的演变等等，都无不在时间的长河中进行。那么，什么是时间呢？我们为什么要把时间计量精度研究的越来越高呢？10万年不差1秒，30万年不差1秒，300万年不差1秒，3000万年不差1秒，甚至3亿年不差1秒，那么高的精度有什么作用和意义呢？
　　尽管历史上许多人都力图给时间下一个定义，但到现在时间还是没有一个科学而准确的答案
　　有人会说：时间不就是几时、几分、几秒吗？不对，几时、几分、几秒是利用钟表计量时间的单位和尺度，并不是时间的含义，没有钟表时间照样存在。在人类对客观世界的感觉和抽象中，最难捉摸的就是时间。它看不见、摸不着，既无开头、也没终点，长流不息、永恒向前，但它又是客观存在、又不以人们的意志而转移。“子在川上曰，逝者如斯夫”，时间就是这样在我们的身边流逝。
　　什么是时间呢？历史上许多物理学家、数学家和哲学家都力图给时间下一个定义，但都没有一个科学而准确的答案。唯心主义说，时间是不可知的怪物。唯物主义说，时间是物质，是不以人的意志而客观存在。爱因斯坦说，时间就是钟表。人们对于时间的认识有着十分悠久的历史，综观人类对时间认识的发展过程，大有“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的感觉。但是，人类是具有抽象能力的，所以人类不仅创造了计量时间的历法和计量时间的钟表，而且，还利用最新科学不断地以更有效的方式探索时间本身的奥秘。
　　从利用日、月计量，到利用钟表等工具计量，再到如今出现的高精度激光冷却原子喷泉钟，人类对时间的计量精度越来越高
　　人类最早认识时间的计量单位是“日”，原始群居时代给人们最直观的感知是日出、日落，因此就有了日的概念。当晴朗的夜空明月高悬、清澈如镜的月亮出落时，给人类产生了很大影响，引起了人类的遐想和憧憬，“嫦娥奔月”，“寂寞嫦娥舒广袖，万里长空且为忠魂舞”，这些不朽的诗句为美丽的神话壮色生辉。在行军打仗时也要月色，“举事常随月，盛壮以攻战，月亏则退兵”。在古代，人们把月亮看得非常重要，月亮的变化，如新月、上弦、满月、下弦、残月就给人们计量时间“月”提供了依据，并把它分为大月或小月。时间计量最大的单位“年”是人类花去上千年的时间，才把它组织成适用的时间单位。人类最早认识“年”不是根据天象，而是根据大地的自然现象，比如河水泛滥、草木枯荣、鸟兽迁徙、寒暖交替等等，这些自然现象被人们命名为“物候”。“离离原上草，一岁一枯荣”，在春、夏、秋、冬无限循环中，人类逐渐总结出了用年来计量时间了。
　　年、月、日是用来规定时期的起点，那么一天，从何时开始，一月由哪里起计、新年始于哪一天？这些问题不解决，我们就不能得到实用的计量时间系统。在日、月、年的长度确定后，就可以得出时、分、秒。要准确地计量时间就不能离开科学，那就是计量时间的工具：钟表。我国古代钟表就有：①圭表，测量日影长度的仪器，利用了立竿见影的道理，观测回归年的长度；②日晷，同样是以日影测定时间的仪器；③沙漏，利用细沙流动现象计时；④滴漏，利用水的流动性计时。随着科学技术的发展，为了满足生产发展的需要，在公元8世纪到14世纪的长时间间隔内，随着金属冶炼技术和加工能力的提高，就发明了机械钟来计量时间了。机械摆钟、现代钟表、电子钟表、石英钟表、晶体钟表，直到现在高精度的原子钟、激光冷却原子喷泉钟。
　　长期以来，我们使用的标准时间是人类赖以生存的地球
　　世界上有无数的钟和表。这些钟表计时准不准，怎么能使成千上万的钟表在同一地区走时一致，或者在全球能保持相对稳定的偏差呢？国际计量局、国际时间局就要有一个“标准时间”。让全世界各国的钟表都能随时随地的直接或间接的与标准时间对准。
　　长期以来，我们使用的标准时间是人类赖以生存的地球，这个巨大的时钟本身是表盘，经线就是表盘上的刻度，表盘转动，指针不动，当地球转动一圈时，就是24小时，这就是“真太阳日”。它的86400分之一就是一秒的长度，这个秒长度就是“平太阳秒”，由地球自转与公转计量的时间，就是我们常说的世界时（UT），过去叫格林尼治时间。由于地球自转周期时快时慢，就会影响计量时间的精度，大约一天内有1~3毫秒的误差（相对值为10-8量级），这样对我们的生活影响不大，但对科研及尖端技术领域来说就满足不了需要。
　　宏观世界的稳定性远不及微观世界，原子钟的问世为人们确定时间提供了更为准确的基准
　　宏观世界的稳定性远不及微观世界的稳定，人们在确定时间基准的实践中，开始迈向微观世界，原子钟的问世为此提供了条件。1967年，国际计量大会决定，将铯133原子在基态的两个超精细能级结构间零场跃迁时，辐射频率的个周期的时间间隔为一秒。从此原子秒取代了平太阳秒。原子钟的准确性已优于1×10-14,相当于30万年不差一秒。由此，世界标准时间采用原子时（AT）。原子时比世界时精度高，两者就有了微小的偏差。因此科学家们就对原子时与世界时进行协调。否则，日积月累就会出现原子时与世界时间有较大的差距，不能符合日出日落的规律。
　　为了统一世界时和原子时，于是有了协调世界时，它使我们每年的最后一分钟有可能多出一闰秒
　　世界时和原子时是两个独立的时标，两者出现偏差时，尽管地球自转有快有慢影响了世界时的精度，但是原子时还是要迁就地球自转为基础的时标，这样才能保证时间与季节的协调一致，不出现阴差阳错。因此就产生了第三种时标，称为协调世界时（UTC），它所采用的时间计量单位仍是原子秒。在时刻上规定与世界时的平太阳秒超过0.9秒时，做1秒整数调整，拨快或拨慢1秒，称为闰秒。闰秒由国际计量局向全世界发出通知，一般在12月份最后一分钟进行。如果一年内闰1秒还不够，就在6月再闰1秒。到目前为止由于地球转速越来越慢，都是拨慢1秒，60秒改为61秒。负闰秒还没有发生过。
　　我国时间频率基准装置已由相当于10万年不差1秒，提高到相当于350万年不差一秒
　　大家知道，地球圆周360度，“本初子午线”的位置是1884年决定由英国伦敦格林尼治天文台埃利中星仪所处的位置作为本初子午圈，又称零子午圈。地理经度记为零度。从它开始向东和向西分别计量，称为东经和西经，它们从0度变化到180度。在零子午圈上测得的平太阳时叫格林尼治地方平时，也称格林尼治标准时间。
　　世界时区的划分以本初子午线为标准，东西各划出12个时区，东12时区和西12时区重合，全球共24个时区。按着国际惯例，各国的标准时间一般都以本国首都所处的时区来确定。因此，解放后，我国采用以首都北京所在的东八时区作为全国的标准时间。又称为“北京时间”。北京时间比世界时（格林尼治时间）早8小时，即北京时间＝世界时＋8小时。
　　我国的标准时间是北京时间。中国计量科学研究院的时间频率基准钟进行标准时间量值的传递，并利用多台原子钟守时，通过国际比对，参加国际原子时合作，由国际计量局每月给出与协调世界时的偏差，偏差不确定度小于10纳秒（1纳秒为10亿分之一秒）。中国计量科学研究院负责建立的我国时间频率基准装置，已由1986年建成的准确度为3×10-13,相当于10万年不差1秒，提高到日通过鉴定的新一代时间频率基准，“激光冷却———铯原子喷泉时间频率基准装置”，准确度达到8.5×10-15,相当于350万年不差一秒。
　　标准时间的量值是建立在时间频率基准上的，中国计量科学研究院守时实验室接收经过国际计量局修正产生中国计量科学研究院的原子时，在实际上实现北京时间。通过中央电视台一套节目、电话和网络向全国发播，为不同的用户服务。通过计量院校准后的原子钟、石英钟等最高可校准到1×10-13,相当于10万年不差1秒。
　　在追求时间精度的过程中，人类将永无止境
　　在我们的生活中，1秒的时间，是非常短暂的，精确到秒已经足够了。可在某些领域，用秒来计量时间，又太长了。用广播传递的时间，准确度是十分之一秒；在运动场上，田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负。要判断谁胜谁负，就要求秒表的计量精度在0.1秒；汽车、飞机的发动机在每分钟转动数千周，为改变发动机的频率，在百分之一秒的时间内，时间测量要精确到0.01秒；炮弹在发射过程中是在千分之一秒内发生的，时间测量要精确到0.001秒；雷达技术需要知道的是百万分之一秒的时间精度。对于导弹，或使用全球定位系统的飞行器来说，要使定位误差控制在3米之内，计时精度就要十亿分之一秒；对核潜艇进行无线电导航时，时间测量精度要达到百万分之一秒；对核潜艇进行无线电导航时，时间测量精度要达到百万分之一秒，否则就会造成300米位置的误差；在浩瀚无际、水天一色的大海上航行的轮船1秒钟的误差，就会使轮船偏400米的位置；科学家在研究原子构造、宇宙射线等的进展中，往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；激光测量地球到月球的距离为38400公里的遥远距离，误差只有几厘米，这就要求时间的测量精度达到10-10以上的量级才行；地球绕太阳自转，差1秒就失去30公里；光的速度一般称为每秒30万公里，那么，百万分之一秒的时间误差，就会带来300米的测量误差。如果没有十亿分之一甚至百亿分之一秒的准确度，要准确地测量光的速度是不可能的。爱因斯坦的相对论，在有了原子钟以后才被验证是正确的。高速摄像机1秒钟内能拍摄一亿幅画面，速度惊人，这就是说只有精确控制每幅拍摄的时间，才能实现高速度。物体绕地球转，它的速度得达到每秒7.9公里；炮弹飞向月球，它的速度必须每秒达到11.2公里。飞船、卫星发射、入轨、制导、重返大气层、安全着陆回收，每一个过程，每一环节，都需要精确时间计量。从发射场、飞行控制中心，到回收监视区域都需要有专门的控制时间的系统和时间统一服务系统，以此给各部位提供高精度的时间信号，以保证发射成功。从以上的实例中，我们认识到了人类为什么要不断的提高计量时间频率的精度了。摆钟一天快慢为千分之一秒；石英钟一天为万分之一秒；分子钟一天为百万分之一秒，只有铯原子钟30万年不差1秒，原子喷泉钟可达到3000万年不差1秒；光钟甚至于达到3亿年不差1秒，才能满足时代科技发展的要求。
　　文并供图/中国计量科学研究院宣传部部长高级工程师卢敬叁
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Copyright & 1998 - 2016 Tencent. All Rights Reserved一秒钟怎么定义？_百度知道光晶格钟有望重新定义秒
发布时间： &&|&& 作者：刘霞
中国科技网讯 据英国《自然》杂志网站7月9日报道，法国巴黎天文台吉勒莫·洛德韦克和同事最近证明，两台先进的光晶格钟（OLC）的运行步调几乎完全一致，精确度最少可达1.5×10-16。如果想用OLC重新定义秒的话，这种一致性测试必不可少，因此，这一最新研究有望让科学家们重新定义秒。
1967年，秒被定义为当一个铯原子在两个特定的能级间跃迁时所辐射或吸收的微波辐射振荡次所持续的时间，这一定义保持至今。
目前，测量这一频率最精确的方式是铯原子钟，铯原子钟又被人们形象地称作“喷泉钟”，因为其工作过程是铯原子像喷泉一样的“升降”，这一运动使得频率的计算更加精确。
铯原子喷泉钟的精确度大约为3×10-16，这意味着在1亿年时间里，其误差不超过1秒。但科学家们表示，某些新式的原子钟可以做得更好，对被电磁场捕获的单个离子化的原子辐射进行监测可以让精确度达到10-17。
大约10年前，科学家们首次展示了光晶格原子钟，尽管其精度无法打败捕获离子钟，但可以同铯原子钟相媲美，而且，很多科学家基于两个理由认为，这种钟可能会精度更高。首先，与捕获离子钟一样，这种光晶格钟也测量频率为微波数万倍的可见光的频率。第二，它们测量数千个被捕获进一个光晶格内原子的平均辐射频率而不是只测量一个原子的辐射频率，因此，精度更高。
然而，科学家们必须证明，这种原子钟的运行步调要能准确无误地与另一个同样的原子钟保持一致，这正是洛德韦克和同事在最新实验中已经证明的。他们也证明，两个原子钟几乎同步，精度至少为1.5×10-16，而且，这种锶光晶格钟（每个光晶格约有1万个锶87原子）与巴黎天文台的三台铯原子钟步调一致。
更好的原子钟有望成为基础科学的福音。例如，物理学家们能使用这样的原子钟对自然界某些基本而持续的变化进行调查，以确定其是否像理论所预测的那样。（刘霞）
《科技日报》（ 二版）(中国科技网) 责编：王冠
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