一级计量师

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时间基准的原子时代

科学家们早就认识到原子（和分子）具有谐振现象：每种化学元素和化合物都以自己的特性频率吸收或发出电磁辐射。 这种谐振在时间和空间上非常稳定，今天的氢原子或铯原子与一百万年前或另一个星系的氢原子或铯原子完全相同。这些原子可以构成一种以固有频率摆动的“钟摆”，而这种可重复的固有频率正是精确时钟的基础。

20世纪30年代和40年代雷达和甚高频无线通讯的研制发现原子间的相互作用可以产生电磁波（微波）。研制原子钟的工作是从氨分子的微波谐振的研究上开始的。1949年，美国标准技术研究院（NIST）建立了基于氨分子谐振原理的第一台原子钟。但是，这台钟的性能并不比当时已有的标准好多少。所以，他们的研究很快转移到更有希望的铯原子束装置上。

与美国海军观象台VSNO合作，英国于1955年在国家物理实验室（NPL）建立了第一台实用的铯原子频率基准，并用来测量天文时。NIST是最早开始研制铯原子基准的，但好几年后它才完成了它第一个原子束装置。不久后又建了第二台，用于比对测试。

1960年，铯基准进一步完善，并用于NIST的官方守时系统。许多国家实验室也研制了这类基准装置，使得这种守时系统被广泛采用。

1967年铯原子自然频率被正式确认为时间的国际单位制单位：秒被定义为铯原子9192631770个谐振频率周期的时间，它取代了以前基于地球运动周期的定义。秒很快就成为科学家们所测量的最精确的物理量。 2002年1月，NIST首先采用“喷泉”技术的第八号铯钟？穴代号NIST-F1？雪——最新的铯基准每年仅有3千万分之一秒的误差。

另外，还研制了一些其他不同用途的原子钟；例如，有更稳定的氢原子钟，还有更紧凑、便宜和低耗的基于铷蒸气微波吸收原理的原子钟等。

现代生活越来越依靠于精确的时间。过去误差一刻钟的时钟也许就够用了，但现在不同，交通、通讯、金融、制造、电力和许多其他技术越来越依靠于精确的时钟。科学研究和现代技术的需求促使我们研究更准的时钟。在NIST、USNO，在法国、德国以及世界其他实验室正在开发下一代的时间基准。

当我们继续“时间漫步”的时候，我们将能看到NIST、USNO和位于巴黎的国际计量局（BIPM）等机构正在帮助世界维持一个单一的、一致的时间体系。

时间及其单位秒1

时间是什么？历史上曾经争论不休。哲学家康德认为时间和空间不是客观存在的，而是人的先天的直观形式。马赫则把它看作是“感觉系列调整了的体系”，是用来整理认识材料的工具。物理学家牛顿认为时间是均匀流逝着的，它与空间和空间盛着什么物质毫无关系，即在一个系统中同时发生的两个事件，不论在什么系统中观察都是同时的。

这种同时性的绝对观念或“绝对时间”，与爱因斯坦相对论的观念是截然相反的。根据狭义相对论原理，在度量时间进程时，会看到运动的时钟要比静止的时钟行进得慢。根据广义相对论原理，在较强的引力场中时钟也行进得较慢，即引力场中光谱线向红端移动。现代物理学的发展，特别是相对论的提出及其后来得到证实，都证明了辨证唯物主义关于时间、空间与运动着的物质具有不可分割联系的原理，无疑是正确的。

从计量学的角度来看，时间这个概念至少具有时间间隔和时刻两种含义。前者是连续流逝的时间中两个瞬时之间的间隔，即有起点和终点的一段时间，可用时间坐标轴上的线段表示；后者则是这个线段上某一个点所表示的瞬间。前者表示事件持续的久暂，后者表示事件发生的迟早。

欲表示事件发生的时刻，首先要选取一个时刻作为起算的原点，然后以一个标准的时间间隔作单位，在时间坐标上计算事件发生的瞬间到原点之间的时间间隔。这个时间坐标就称为“时标”（time scale）。根据起算原点和时间单位的不同，可以建立不同的时标，例如世界时、历史时、国际原子时、协调世界时等。

而能连续不断地维持时标值或保持时标，给出时刻和时间间隔的工作就称为“守时”（time conservation）。守时的基本手段是钟——指示时刻和计算时间间隔的计量器具，各种时标都是通过守时钟的读数体现出来的。守时还需要科学的时标计算方法和准确的时间比对手段。

我国远在公元前五百多年前，就利用“日晷”来观测地球绕太阳运行的周期。以后又创造了沙漏、水漏、滴漏等守时工具。在中国历史博物馆至今还珍藏着元朝后期（1361年）创制的“铜壶滴漏”。

在国际单位制（SI）中，表示时间这个基本物理量的单位是秒（s），它经历了由天文秒到原子秒的沿革。天文秒是根据天体运行周期，即宏观运动规律得到的。原子秒是根据原子振荡周期，即微观运动规律或微观量子效应得到的。

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