人类计时工具演进史：从日晷到原子钟，探索准时标准的演变

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那么，“准时”是什么意思呢？

计时原理先后经历了“天体运动——物理现象——机械振动——压电效应——量子跃迁——无线电脉冲”等“进化”过程。 20 世纪 60 年代之前，世界时间 (UT) 被广泛用作参考时间。这是根据地球自转测量的时间。 20世纪60年代后，利用量子跃迁频率确定的时间标准——原子时（AT）应运而生。从此，国际上重新定义了时间的基本单位“秒”，用原子时代替了天文时。

世界时时刻对应于太阳在天空中的具体位置，反映了地球自转的角度以及地轴在空间自转时的方位。然而，地球自转不均匀等特点，使得世界时的秒数普遍趋于逐年变长。原子时间可以满足时间间隔均匀性的要求，但其矩没有特定的物理意义。因此，为了考虑到人们对时间和时间间隔的测量和应用需求，定义了“协调世界时”（UTC）。它采用原子时间的秒长，利用原子时间的统一性，利用闰秒来保证时间与世界一致。时间尺度在一定程度上相匹配。 1972年，“协调世界时”被国际上规定为新的国际标准时间，并沿用至今。

随着现代社会的发展，人们对秒以下的时间细分提出了越来越多的要求，产生了毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒、阿秒、平方秒等，这就是精度。时间。精密时间包括“时间间隔”和“时刻”两个要素，其中“时间间隔”主要利用原子时间来衡量。原子时由原子钟提供。原子钟的计时精度非常高，几千万年甚至几十亿年都可以达到不少于1秒。

为什么原子钟如此准确？量子物理研究表明，微观世界中的原子可以在不同的能态之间切换。在转换过程中，原子会吸收或释放电磁波。电磁波的频率与能态之间的能量差成正比，并且非常稳定。用于控制电子振荡器或激光器的频率，输出可用于实际应用的标准频率电磁波信号。通过对电磁波振荡周期进行计数，就可以形成时间信号的输出，从而实现自然界中最精确的时钟——原子钟。在过去的半个世纪中，原子钟的计时精度大约每七年就提高一个数量级，并且这种趋势仍在继续。也正是因为如此，时间成为了目前测量精度最高的物理量，精度可以达到阿秒（10-18秒）级别，甚至更高。

人们对时间测量和应用的研究带动了科学技术的进步。如今，中国科学家已成功研制出氢原子钟、小型铯束原子钟、冷原子铯喷泉参考钟、冷原子铷喷泉钟、冷原子锶光钟、冷原子镱光钟、钙离子光钟等世界最大的原子钟。音量时钟。最小的芯片原子钟等，利用相关原子钟实现了中国自主生成和维护的国家标准时间——“北京时间”，可以运行6000万年，不偏离1秒。

时间所扮演的角色比我们想象的要重要得多。如今，精密时间的应用范围非常广泛，涵盖基础研究、工程技术应用、国家安全、国计民生等诸多方面。

在卫星导航方面，时间信息的产生和维护以及时间和频率信号的测量和同步是卫星导航系统最关键的基础技术。通过测量时间获得用户的位置和速度信息。百万分之一秒（1微秒）的时间测量误差将导致300米的定位误差。目前，卫星导航系统的时间测量精度需要达到十亿分之一秒（1纳秒）量级。

对于航天科技来说，构成测控网络的测控中心、各测控站、测量船必须保持优于微秒级的时间同步。深空测量要求站间时间同步达到纳秒级；一些前沿科学实验，如验证相对论、探测引力波、测量物理常数等的准确性，直接取决于时频测量的最高精度。