时间测量：以原子振荡为标准

许多世纪以来，人类测量时间的标准是天体的视运动。随着生产力的发展和科学技术的进步，人们对于时间精度的要求越来越高。例如当代的人造卫星、火箭的发射、制导，运动目标的精密定位，快速数字通讯，以及现代天文学、物理学、大地测量学等领域，不仅要求时间标准具有很高的准确度，而且要求它要具有优良的稳定度和均匀性。世界时和历书时都难以满足这些应用的需要。因此，人们很久以来便在探索新的时间测量标准。

我们知道，原子内部是一个复杂世界。每个原子都有一个原子核，核外分层排布着高速运转的电子。当原子受到电磁辐射时，它的轨道电子可以从一个轨道跳到另一个轨道上，如图中的E2～E1，物理学上称此为“跃迁”。跃迁时，原子会释放或吸收一定能量的电磁波。这类电磁波是一种谐波振荡运动，周期很短很稳定。于是，物理学家们从20世纪初开始探索利用跃迁振荡频率做成原子钟的可能性。

图1　原子结构（a）与原子跃迁振荡频率（b）

20世纪50年代初，英国皇家物理实验室的埃森（L.Essen）等人研制成功世界上第一台铯束原子钟。紧接着，美国海军天文台的马可维茨（W.Markowitz）等人便着手测定用历书时秒表示的铯束谐振器的频率值。根据1955—1958年间的测量结果，他们得到在一个历书时秒期间，铯束谐振器的振荡次数，即谐振频率为：

他们指出，上式中的20 Hz的不确定性完全来源于历书时秒的误差。于是，人们便提出定义原子秒长，并以它作为时间测量标准。这种想法是很自然的，也是有其理论根据的。因为根据美国物理学家拉比（I.Rabi）的原子和分子束谐振理论，原子在发生跃迁时，它的谐振频率f0可以表示为

式中，h为普朗克常数，Wp和Wq为原子跃迁前后2个能级上的总能量，它们只取决于原子自身的物理特性。这就是说，f0不随环境而变化。在理想情况下，谐波振荡的相位可表示为：

上式具有基本方程的相同形式。因此，如果利用某种方法观测并记录φ随时间t的变化，就可以以此测量时间。在上式中，φ0为初始相位。

但是，在20世纪60年代初期，铯束原子钟的精度并不高，加之传统天文测时习惯势力的影响，所以第十二届CGPM大会（1964年）虽然认同做出新定义的必然性，但同时又指出实施的时机尚不成熟，决定对铯133（Cs133）超精细能级跃迁做进一步研究。到了1967年，铯束原子钟的精度提高到了10-12量级，做出新定义的行动不能再延缓了。于是第十三届CGPM大会（1967年10月）通过了新秒长的决议。

新秒长规定为：(www.xing528.com)

位于海平面上的Cs133原子基态的2个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770周所持续的时间为1个原子时秒。

这一定义的通过标志着时间测量史上一个新时代的开始——从此时间测量标准由天文时过渡到了原子时。

我们看到，第十三届CGPM大会通过的上述决议只给出了时间测量单位——秒长的定义，这对于建立新时间测量系统是不够的。时间测量与其他物理量的测量不同，作为一个测量系统，它必须给出2个要素：测量的基本单位和时刻的起算点，这样才能保证历史事件记录的连续性。

根据前面给出的相位表达式本来可以在理论上给出时刻起点的规定，但是，φ随时间变化的速度太快，每隔1/9192631770秒φ0就重复1次。要找到一种特殊自然现象与φ0相对应非常困难，因而，原子钟实际上无法独立定义时刻起点。

世界时所规定的时刻起点，选取了与人们生活息息相关的太阳所在的特定位置，很容易辨别和获得。这一规定方便于人类活动，且袭用已久，没有更改的必要。所以在UT向ET过渡时，ET的起点袭用了UT的起点，只不过用一个物理事件（一个特定的太阳几何平黄经）严格地把它继承下来。在定义了原子秒长以后，原子时（AT）的时刻起点也只能袭用UT的时刻起点，故而第十三届CGPM大会的决议中对此没有做出表述，只是要求在做实际比对后进行强制调整，人为地让AT与UT衔接起来。

通过相互比对，人们得到的调整办法是：

规定1958年1月1日0时UT的瞬间为AT的时刻起点，即调整原子钟的频率，使它在这一瞬间满足（AT-UT）1958.0=0，此后便由原子钟独立运转积累原子时。

但是，遗憾的是，由于技术上的原因，当时AT并没有真正调整到同UT完全一致。事后发现，（AT-UT）1958.0=0.0039s，这一差值也就只能作为历史事实被保留下来，并且给某些精细的计算带来麻烦。