时间简说：时间测量技术发展

如果从古埃及人在公元前15世纪左右“立杆测影”并于公元前8世纪发明“日影钟”开始，时间测量技术的发展有着十分久远的历史。时钟制造技术的演变和发展及其在认识史上所起的作用，已为许多学者所研究。在这里，我们将简要介绍当代最高水平的时钟——原子钟的历史背景，以及当前普遍采用的远距离时间测量比对技术。

早在1873年，麦克思韦（J.C.Maxwell）和开尔文（W.T.Kelvin）就分别提出，发射光谱的谱线波长和辐射周期可以被用来确定长度单位和时间单位。历史证明，这是一个具有远见和卓识的预言。

后来，电磁学、量子物理学、原子物理学和波谱学的发展，导致了石英钟的问世。这是20世纪30年代时间测量科学中的一件大事。石英钟在短期内测量时间的精度遥遥领先于天文方法，天体测量学家利用它发现了地球自转速率的季节性变化。虽然石英钟的晶体振荡频率取决于晶体的几何形状和人工切割技术，使其不具备时间测量标准的复制性，但是它的出现却孕育了20世纪50年代初分子钟和原子钟的诞生。在这一过程中，物理学理论的成熟和无线电技术的进步具有决定性作用。普朗克建立量子理论基础，爱因斯坦引进了光子受激发射概念，玻尔运用光子理论解释了原子结构并提出了能级概念，赫兹奠定了无线电频率检测基础，布鲁利等人创立并发展了波动力学，思特恩发现了原子磁性和它的空间量子化。开始于20世纪30年代的工艺进步也是不可缺少的，这些工艺进步由于无线电通信和二次大战中产生的雷达技术的需求而被大大加快，到二次大战结束时，无线电技术已经蓬勃发展，频率测量可以达到30GHz的水平。在汤思（C.Fownes）的推动下，波谱学发展产生了一次飞跃。早在1927年，菲普斯（R.Phipps）和佛利西（N.Frish）等人进行了原子非绝热跃迁实验。1936年，拉比（I.Rabi）提出了原子和分子束谐振理论，并进行了相应实验，得到了原子跃迁频率只取决于其内部固有特征而与外界电磁场无关的重要结论，揭示了利用量子跃迁实现频率控制的可能性，他为此获得了1944年诺贝尔物理学奖。不过，这方面的实现和研究工作曾因二次大战而暂时中断过。1948年，史密斯（W.U.Smith）在美国国家标准局利用拉比方法做成了吸收型氨（NH3）分子钟，利用的是氨分子（J=3，K=3）反演跃迁吸收谱线控制和稳定石英晶体振荡器频率技术。但是，由于多普勒效应的影响，振荡器谱线太宽，长期稳定度不高，并不比石英钟好，因而被放弃。为此，美国物理学家拉姆奇（N.F.Ramsey）在1949年提出分离振荡场方法。1953年汤思和中国学者王天眷等人利用受激辐射放大原理研制成功激射型氨分子钟。1955年，英国皇家物理实验室的埃森研制成功世界上第一台铯束原子钟，开创了制造实用型原子钟的新纪元。

1954—1955年，汤思在美国，巴索夫（N.Basov）在苏联，分别研制成功氢原子钟。

在20世纪60—70年代，各国在努力改善原有原子钟性能指标的同时，都把主要精力放在研制大型铯束原子钟上，即尽量加长微波腔内铯原子的作用区域。但是后来发现，作用区并非越长越好。在这期间，中国计量科学研究院研制成功五米级实验室铯束原子钟，上海市计量局研制成功氢脉泽原子钟，中国科学院湖北物理研究所研制成功铷原子钟。

由于半导体激光器的应用，光抽运选态方法引起了人们的注意。从20世纪80年代初开始，世界各国相继研制出光抽运选态铯原子钟。目前，这类铯原子钟的准确度约为±1×10-14。

上述铯原子钟采用的都是热原子。束中原子的运动速度很快，因而引进的二阶多普勒频移较大（约10-13量级），修正误差一般为10-14量级。这就限制了铯束原子钟准确度的进一步提高。

1969年，美国科学家提出激光冷却和离子囚禁理论。斯坦福大学于1979年利用这一理论，在实验室实现了对钠原子的激光减速。1985年，美籍华人朱棣文等人利用光学黏团首先实现了对钠原子的激光冷却，此后又实现了磁光阱和囚禁原子的技术。(www.xing528.com)

利用激光冷却和囚禁技术研制的第一台喷泉铯原子钟是法国国家标准实验室的克莱隆（A.Clairon）和法国高等师范大学的所罗门（Ch.Salomon）及其研究组合作于1996年完成的。它的准确度估计可达±1×10-15，长期稳定度约为±2×10-16。

从20世纪60年代起，许多国家的时频实验室相继利用原子钟建立了各自的地方原子时。通过这些地方原子时，组建全球统一的原子时标准——国际原子时，当然是符合逻辑的发展。要实现这一目标，不同地域的原子钟之间，必须实现时间同步。所谓时间同步，理论上指：一组时钟对于同一客观事件的发生时刻，能够给出相同的钟面时读数。实际上，由于各种因素的影响，不同时钟的钟面时读数之间会有偏差，该偏差测量的不确定性，代表着这组时钟之间不同步的程度。人们称此为同步精度。时间同步通过时钟之间相互比对测量实现。其方法主要有：

（1）搬运钟。利用适当运载工具（通常为飞机），在相距较远的时钟之间进行搬运比对，求得它们的相互时刻差。由此得到的同步精度约为纳秒（10-9s）量级。

（2）单向法。通过无线电信号单向传输的时间比对。相距较远的时钟，通过接收第三方无线电信号，例如授时台或卫星发射的时号进行相互比对，求得相互之间的时刻差。利用地面长波授时台时号，同步精度为微秒（10-6s）量级。利用卫星时号，同步精度为纳秒量级。

图3　中国古代命官授时图

（3）双向法。通过无线电信号双向传输的时间比对。相距遥远的时钟，通过卫星转发，对收对发时间信号，经信息交换、数据处理，实现相互间时刻比对。目前应用较广的是利用同步卫星的双向比对，它可使洲际间的2个时钟的时刻差比对精度达到亚纳秒量级。

（4）激光比对。利用激光信号往返传播实现时钟之间的相互比对。其原理是：从A钟向B钟发射激光脉冲，B钟记录该脉冲到达时刻并将它反射回A钟。A钟记录脉冲发射时刻和回波信号到达时刻，从而计算出两钟时刻差。目前，该方法尚处于实验阶段，预期同步精度为皮秒（10-12s）量级。