原創(chuàng)： 張曉斐 返樸

在心理認(rèn)知和群體行為層次上，時間大概是一個最沒有標(biāo)準(zhǔn)的東西了（比如“馬上到”“等一下”這些日常用語所體現(xiàn)出來的不靠譜），而在計量層次上，時間的標(biāo)準(zhǔn)在各種物理量當(dāng)中可算是最精確的了。這個有趣的現(xiàn)象反映的大概是時間的約定性差異。隨著技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代社會在逐步告別“從前慢”，這種約定差異在不知不覺縮小。人類對于準(zhǔn)時性的要求越來越高，現(xiàn)代時間計量也已從宏觀的“觀天授時”走向依賴于微觀層面的原子過程。時間認(rèn)知與人類發(fā)展的伴生問題過于復(fù)雜，我們暫且擱下 “時間都去哪了”的問題，先看看時間標(biāo)準(zhǔn)從何而來。我們常常說的北京時間又是哪兒的時間？

撰文 | 張曉斐（中國科學(xué)院國家授時中心研究員，中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院崗位教授）

近日上映的國慶獻(xiàn)禮片《我和我的祖國》講述了七個故事，其中《回歸》還原了1997年7月1日香港回歸的盛況。對于時任外交部禮賓司副司長、交接儀式總指揮安文彬來說，他最重要的任務(wù)便是保證五星紅旗在7月1日0時0分0秒準(zhǔn)時升起，一秒不差，讓香港的主權(quán)準(zhǔn)時回歸祖國。

《我和我的祖國》劇照

當(dāng)時，對于7月1日0時0分0秒這個時刻，是該英國降旗還是中國升旗，中英雙方進(jìn)行了16次外交談判。這一秒代表的是中國對香港回歸的底線，必須一秒都不能差，而真正做到“一秒不差”就要依靠精準(zhǔn)的計時和授時。要保障精準(zhǔn)計時和授時，則不得不說中國時間計量發(fā)展中最重要的一環(huán)——原子鐘的發(fā)展，其對“一秒”的精度也有著同樣的執(zhí)著。

時間究竟是什么？ ——時間的定義計量

說起時間，每個人都會說我知道?？墒?，時間究竟是什么，卻總是很難說清楚。其實(shí)，自從地球上出現(xiàn)人類的那天起，時間的測量一直是人類日常生活必不可少的一項(xiàng)工作。時間作為基本物理量之一，是目前測量精度最高也是人類生活應(yīng)用最廣泛的物理量。時間的單位是秒，最早的時間是以地球自轉(zhuǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)，稱為世界時。它對秒的定義是指一個平太陽日的1/86400為1秒。

后來的研究發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)速率并不均勻，之后經(jīng)過長期觀測后，人們采用準(zhǔn)確度更高的歷書時對時間單位“秒”進(jìn)行定義。這種基于天體測量對時間進(jìn)行定義的天文時間對人類歷史的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。然而天體的運(yùn)動速率并不是完全均勻的，其周期也并非完全穩(wěn)定，因此對測量的精度有很大的限制，而且觀測時間長，不能很好地滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的需要。

如何精確量出一秒？ ——原子時的出現(xiàn)

隨著量子物理學(xué)（激光冷卻原子技術(shù)）和激光光譜學(xué)的迅速發(fā)展，人們開始認(rèn)識到原子或分子振蕩的周期非常穩(wěn)定，其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于天體運(yùn)動作為標(biāo)準(zhǔn)的世界時和歷書時，用其來定義秒可以使秒的精度得到極大地提高。利用原子振蕩頻率確定的時間標(biāo)準(zhǔn)，我們一般稱之為原子時[1]。1967年，第十三屆國際計量大會通過決議，把原來基于天體宏觀周期運(yùn)動的時間單位“秒” 長定義，改為基于原子內(nèi)部的微觀運(yùn)動，將 “秒” 長定義為銫（133Cs）原子基態(tài)的兩個超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級間躍遷電磁輻射周期的 9192631770 倍所持續(xù)的時間。

而 “秒” 長定義的復(fù)現(xiàn)和時間頻率的精確測量則需要依靠量子頻標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。量子頻標(biāo)又稱“原子頻標(biāo)”，簡單地講，原子頻標(biāo)是應(yīng)用原子或離子內(nèi)部能級間的躍遷頻率作為參考，鎖定晶體振器（簡稱“晶振”）或激光器頻率，從而輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的信號發(fā)生器。在計量學(xué)中，我們稱其為頻率標(biāo)準(zhǔn)器具，它是當(dāng)代第一個基于量子力學(xué)原理做成的計量器具。由于物體運(yùn)動周期與頻率成反比，所以原子頻標(biāo)通常又叫原子鐘。實(shí)際上，原子鐘應(yīng)該是能夠產(chǎn)生時間信號（如秒脈沖）并有計數(shù)裝置的原子頻標(biāo)。近三十多年來，隨著新物理理論和新技術(shù)成果的應(yīng)用，人們研制出了不同類型的新型原子鐘，它們已經(jīng)或即將應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[2]。

原子鐘也有多種，如何尋找最精準(zhǔn)的原子鐘？

銫（Cs）原子具有的一些屬性使其成為基于原子共振躍遷的頻率標(biāo)準(zhǔn)，在20世紀(jì)50年代早期，世界上許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始了對基于銫原子的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)的研制。銫原子的原子質(zhì)量相對較重，因此，它們的移動速度相對較慢，在室溫下約為每秒130米，這就使得銫原子與微波場的作用時間較長。

此外，銫也有相對較高的超精細(xì)躍遷頻率（9.2 GHz），例如銣和氫原子的超精細(xì)躍遷頻率分別為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室 (NPL) 研制出了第一臺銫原子鐘，獲得1×10-9的不準(zhǔn)確度[3]。由銫提供的高精度和準(zhǔn)確度時間頻率標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了對時間單位 “秒” 的新定義的產(chǎn)生。經(jīng)過60余年的發(fā)展，目前的銫原子鐘的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了10-16，其精度接近1億年不差一秒[3]。

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)、電磁囚禁技術(shù)、激光冷卻和陷俘原子技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，以及新物理原理的應(yīng)用，新型原子鐘技術(shù)的發(fā)展十分迅速。一方面人們應(yīng)用這些新技術(shù)探索性能更高的新標(biāo)準(zhǔn)，另一方面努力尋求小型化的新途徑。這些新物理原理和新技術(shù)的成功應(yīng)用，催生了以超冷原子為工作物質(zhì)的原子噴泉、離子儲存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鐘，使原子鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度提高了1～2個數(shù)量級，甚至達(dá)到10-18。20世紀(jì)90年代后，尤其是最近幾年，這些新技術(shù)被引進(jìn)到我國，并且在國內(nèi)迅速發(fā)展，新型原子鐘的研究已經(jīng)蓬勃發(fā)展[4]。

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如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鐘

時間頻率基準(zhǔn)鐘裝置是運(yùn)行在一定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，具有自我評估能力的最高時間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置，是時間頻率計量單位傳遞的源。近十幾年來，作為各國的時間頻率基準(zhǔn)，傳統(tǒng)的磁選態(tài)和光抽運(yùn)大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鐘取代。

原子噴泉的基本想法如圖 1 所示，我們搭建一個豎立的真空裝置，真空中充有工作介質(zhì)（銣或銫）的飽和蒸氣，利用激光方法俘獲原子，并將其冷卻到非常低的溫度，將原子上拋。原子在上拋和下落的過程中只受到重力的作用，它兩次穿過微波腔，與時間上的分離振蕩場作用，產(chǎn)生鐘躍遷，然后探測不同能級的原子。最后獲得與 Ramsey 鐘躍遷相應(yīng)的熒光信號。應(yīng)用該熒光信號即可完成對實(shí)用頻標(biāo)的頻率鎖定。我國先后從事冷原子噴泉鐘研究的有北京大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院上海光機(jī)所和中國科學(xué)院國家授時中心。

圖1 原子噴泉概念示意圖

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準(zhǔn)確度更高的冷原子光鐘

原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均以其所應(yīng)用的量子躍遷譜線頻率的相對值來表示。與微波信號相比，光信號的頻率高，并且有一些原子或離子的光學(xué)頻率躍遷譜線很窄，其相應(yīng)的Q值（譜線質(zhì)量因子）高達(dá)1018。利用這些譜線實(shí)現(xiàn)的頻標(biāo)，即光頻標(biāo)，具有極高的頻率穩(wěn)定度，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度將優(yōu)于10-18。

近些年來，原子冷卻技術(shù)，尤其是光晶格原子囚禁技術(shù)的飛速發(fā)展，使基于冷原子樣品而實(shí)現(xiàn)的光頻標(biāo)擁有高準(zhǔn)確度的潛力，并且具有高信噪比和低量子投射噪聲。世界發(fā)達(dá)國家紛紛開展了基于冷原子的光頻標(biāo)研制。冷原子光鐘研究進(jìn)展非常迅速，一些實(shí)驗(yàn)室相繼報道的數(shù)據(jù)表明，其研究的冷原子光鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度性能已超越了銫原子噴泉鐘[2]。

目前，鍶光鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度達(dá)到10-19量級，比噴泉鐘高4-5個量級。

用于光鐘的原子多為堿土金屬原子，它們的外層軌道有2個電子，作為 “鐘” 躍遷參考的是它們的單重態(tài) 1S0 到三重態(tài) 3P0，1，2之間的躍遷，其躍遷頻率在光頻波段。用作光鐘的粒子可以是離子，如汞離子(Hg+) 、鐿離子(Yb+) 、鍶離子 (Sr+) 和銦離子(In+) 等，也可以是中性原子，如鈣 (Ca) 、鍶 (Sr) 、鐿 (Yb) 和鎂 (Mg) 原子等。其作用原理與微波諧振器類似，只不過在這里 “本機(jī)振蕩器” 不是晶振，而是穩(wěn)頻激光器。其主要構(gòu)件如圖 2 所示。

圖2 光頻標(biāo)主要構(gòu)件圖

激光冷卻的原子（離子)，用穩(wěn)頻激光器的脈沖去探測，激勵被冷卻的原子產(chǎn)生 “鐘” 躍遷。用聲光調(diào)制器 (AOM) 來調(diào)節(jié)探測激光的頻率，使它接近原子的共振頻率，原子的躍遷信息由光電倍增管收集原子熒光來進(jìn)行檢測。對探測激光頻率進(jìn)行調(diào)制，原子躍遷產(chǎn)生的信號作參考通過 AOM 和伺服系統(tǒng)，將探測激光頻率鎖到原子的共振中心，構(gòu)成光頻標(biāo)。激光線寬由很好隔離的光腔壓縮，并被穩(wěn)定到原子躍遷中心。光梳把激光的頻率精確地傳遞到其他光頻和微波范圍。

在我國，華東師范大學(xué)與中國科學(xué)院武漢物數(shù)所開展了鐿原子光鐘的研究，中國計量科學(xué)研究院和中科院國家授時中心正在開展鍶原子光鐘的研究（圖3）[4]。

圖3 國家授時中心鍶原子光鐘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

每一臺鐘都有自己的時間，全世界的時間如何統(tǒng)一？

每一臺原子鐘都會提供一個準(zhǔn)確的時間，國際原子時是通過全球70多個實(shí)驗(yàn)室的400多臺氫、銫商品原子鐘平均后，再由更準(zhǔn)確的銫、銣噴泉鐘校準(zhǔn)而獲得的。國際原子時在1958年1月1日0時與天文時對齊，它與天文時中的世界時以 “閏秒” 的形式相結(jié)合，產(chǎn)生 “協(xié)調(diào)世界時（UTC）”，并供全世界使用。世界上的每個時間實(shí)驗(yàn)室都通過地球同步衛(wèi)星雙向時間比對，或全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (GNSS) 時間比對的方式與國際標(biāo)準(zhǔn)時間對齊，當(dāng)所有守時實(shí)驗(yàn)室的時間都與國際標(biāo)準(zhǔn)時間同步后，全世界的時間自然也就一致了。

北京時間究竟是哪的時間？

我國幅員遼闊，橫跨5個時區(qū)，為了方便人們的日常生活和時間管理，需要定義一個全國（包括香港、澳門、臺灣）人民通用的標(biāo)準(zhǔn)時間！清朝光緒28年（1902年），中國海關(guān)制定海岸時，將東經(jīng)120度的時刻作為標(biāo)準(zhǔn)時間；民國28年（1939年）3月9日，中華民國內(nèi)政部召集標(biāo)準(zhǔn)時間會議，確認(rèn)將東經(jīng)120度的時間作為 “中原標(biāo)準(zhǔn)時間”；在中華人民共和國成立（1949年）之后，將 “中原標(biāo)準(zhǔn)時間” 改稱為 “北京時間”！

也就是說，“北京時間”是東經(jīng)120度的時間，而北京位于東經(jīng)116.4度，因此，北京當(dāng)?shù)貢r間與北京時間相差約14分半鐘；而杭州地處東經(jīng)120.2度，因此，杭州本地的時間與北京時間最接近。我國的首都是北京，從某種意義上來說，北京就是中國的象征，因此將我國的標(biāo)準(zhǔn)時間稱之為 “北京時間”。北京時間是由位于陜西省西安市臨潼區(qū)的中國科學(xué)院國家授時中心負(fù)責(zé)產(chǎn)生、保持和發(fā)播的（圖4-5）。

圖4 中國科學(xué)院國家授時中心

圖5 我國時間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)

將北京時間即國家標(biāo)準(zhǔn)時間發(fā)播給大家，也是中國科學(xué)院國家授時中心的一大職能——授時?，F(xiàn)如今的授時手段是多樣化的，比如長短波授時系統(tǒng)、低頻時碼授時、互聯(lián)網(wǎng)授時、衛(wèi)星單向授時、衛(wèi)星雙向時間傳遞、光纖傳遞等，授時方法不同，授時精度也有所不同，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇不同的授時（圖6）。

圖6 各種授時方法的比較

各類時間用戶通過長短波、低頻時碼和衛(wèi)星導(dǎo)航等定時接收機(jī)獲得時間信號后，將其廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。例如，交通部門需要精確的時間來進(jìn)行調(diào)度，通信基站間需要精確的時間來維持通信電路時序，衛(wèi)星的發(fā)射需要精確的時間來確保衛(wèi)星正常入軌，供電站需要準(zhǔn)確的時間來監(jiān)測其故障點(diǎn)，金融機(jī)構(gòu)之間需要準(zhǔn)確的時間來完成安全交易。

我們和好朋友約會時，大多以分來確定時間就可以了，而現(xiàn)在各行各業(yè)對時間精度提出了更高要求，需要達(dá)到秒、毫秒、微秒、納秒，甚至是皮秒量級[6]。

至此，相信大家對時間，原子鐘和北京時間已經(jīng)有了總體上的了解，對它們重要性以及相互之間的關(guān)系也不再陌生了。最后，歡迎各位小伙伴參觀位于西安市臨潼區(qū)的中國科學(xué)院國家授時中心（“首批中國十大科技旅游基地”之一），走進(jìn)時間科學(xué)館（我國唯一的時間主題科學(xué)館，縱覽古今中外授時儀器和授時技術(shù)發(fā)展），感受“大科學(xué)裝置”和“北京時間”的脈搏。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉輝，應(yīng)用于鍶光鐘的激光技術(shù)及光譜探測研究 [D]，中國科學(xué)院研究生院(國家授時中心), 2016.

[2] 張首剛，新型原子鐘發(fā)展現(xiàn)狀，時間頻率學(xué)報，2009，32(2)： 81-9．

[3] 郭陽，鍶原子光晶格鐘自旋極化譜線的探測 [M] ，中國科學(xué)院研究生院(國家授時中心), 2018.

[4] 翟造成，楊佩紅，新型原子鐘及其在我國的發(fā)展，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，p21-31，2009.03

[5] 武文俊，“你知道為了確定時間，我們花了多少“時間”嗎？”，中國科學(xué)院國家授時中心微信公眾號

[6] 劉瓊瑤，“關(guān)于北京時間，這里絕對有你不知道的！”，中國科學(xué)院國家授時中心微信公眾號

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