我供職於中國科學院國家授時中心，我們中心的研究物件是「時間」。
提及時間，常有人提出疑問，認為時間應是客觀世界固有的存在。透過檢視手機或腕表，時間似乎一目了然，為何仍需進行時間研究呢？實際上，我們所探討的時間，更精確地講，是指時間頻率。這是一門極其重要的學科領域，而國家授時中心正是中國唯一的專門、全面從事時間頻率基礎研究和套用研究的科研機構，承擔著中國國家標準時間（台北時間）的產生、保持和發播任務。
計時工具：從日晷到機械鐘
在自然科學領域，時間是衡量事件發生瞬間及其持續過程的基本物理量，同時也是我們在日常生活中頻繁使用的概念。時間通常與頻率緊密相關聯，二者合稱為時間頻率。時間涵蓋了時刻與時間間隔兩個要素。例如，我計劃參加一場報告會，而該報告會定於上午八時開始，預計將持續兩個小時，那麽上午八時便代表了時刻，而兩個小時則指的是時間間隔。
在現代社會中，「一秒」的定義是指銫-133原子基態的兩個超精細能階間振蕩躍遷9192631770次所持續的時間，這亦是目前人類測量精度最高的物理量。如今，我們獲取時間資訊更加便捷，只需隨手拿起手機便能即刻得知。然而，在古代，人們是如何進行時間計量的呢？這裏有三種古代時間的計量方法。
日晷：主要由晷面（也稱為晷盤）和晷針（也稱為表針或日規針）組成。在一天中，太陽從東方升起，向西方落下，其光線投射在晷面上的影子會隨之移動。當太陽位於最高點（即正午分時），晷針的影子會指向晷面上的某個特定點，這個點通常被標記為「午時」或「中午」。透過觀察晷針影子在晷面上的位置，並對照晷面上的時間刻度，可以確定當前的時間。
火鐘：又稱火鬧鐘，是古代人們利用火的燃燒來測量時間的一種裝置，火鐘利用火的穩定燃燒速度來計時。在特定的結構上，如一根香或蠟燭，上面串有棉線系住的鈴鐺或其他能發出聲響的裝置，當火燃燒到特定位置時，會燒斷棉線使鈴鐺其落下發出聲響，從而標記時間的流逝。每次鈴鐺的落下或聲響的發出，都代表著一段時間（如一刻鐘、一小時等）的結束，從而實作對時間的測量。
流體鐘：包括刻漏、水運儀以及常見的沙漏，它們是利用水或沙子在重力作用下的穩定流動來計時。流體鐘透過標記容器中的水位或收集流出的流體來測量時間。在刻漏中，當水從第一個桶滴入第二個桶時，可以透過觀察第二個桶中水位的上升來估計時間的流逝。還有一種稱漏，是透過稱量水流進桶中的重量來計算時間。這就把品質測量和時間測量聯系到了一起。流體鐘在古代社會已經是一種相當可靠的計時工具，被廣泛用於農業生產、宗教儀式和日常生活等各個領域。
到了近代，人類相繼發明出擺鐘、機械表、石英表以及電子表等精密計時儀器，這些儀器的測量精度顯著提升，穩定性亦得到大幅增強。在一千多年前的北宋時期，技藝高超的工匠們創制了水鐘，其精確度達到了每日僅10分鐘的誤差。大約600年前，機械鐘的誕生進一步提升了計時的精確性。到了20世紀30年代，石英晶體振蕩器的出現使得誤差進一步縮小，能夠達到300年僅誤差一秒的水平。
原子鐘的誕生
人類測量時間的精度在不斷提高，那我們為什麽需要這麽高精度的時間呢？時間的精度對於我們來說又有多重要呢？
中國的天問一號探測器已成功抵達距離地球約5500萬公裏之遙的火星，並進行了近距離的探索研究。那麽這一成就和時間有什麽關聯呢？實際上，其核心原理涉及了一個我們所熟知的基本公式——距離等於速度與時間的乘積。
探測器首先將被加速至11.2千米/秒的第二宇宙速度，在地球到火星這如此長的距離上，若探測器在地火轉移軌域附近存在1千米的高度誤差，那麽它抵達火星時可能會產生高達10萬公裏的距離誤差。因此，若探測器的時間精度無法達到千分之一秒的精度，其結果將不僅僅是與火星失之交臂，而是差之萬裏了。由此可見，在深空探測任務中，時間的精確度是一個至關重要的因素。
隨著芯片等量子物理的出現，電腦、手機順勢而生，它們改變了我們的生活。人類只有控制在微秒甚至更高量級的時間，才能去更細致地研究原子、電子等微觀粒子的特性。正如利用尺子測量，若其精確度未達到公釐級別，則無法對更小尺度的物體長度進行精確測量，進而無法深入研究其內部更細微的物理內容。因此，只有將時間的精確度提升至一定水平，我們才能探究原子、分子等微觀粒子的性質及其壽命。
在國防領域，當前一些洲際飛彈的最高速度已達到26馬赫，相當於每秒800公尺。若我們的反應時間出現0.3秒的偏差，（即一眨眼的工夫，人類眨眼的時間在約200毫秒到400毫秒左右），飛彈可能會偏離預定目標2.6公裏。為了成功攔截此類飛彈，對時間精度的要求必須達到萬分之一秒。這種攻防之間的較量凸顯了時間精確度的重要性。在現代資訊化戰爭中，研究人員普遍認為原子鐘的重要性甚至超過了原子彈。
原子鐘如何工作？
銫-133原子基態超精細能階躍遷時放射線9,192,631,770個周期的持續時間被定義為一秒的時長。這一定義的實作裝置被稱為銫原子噴泉鐘，它亦被視作人類活動時間的標準。所有涉及時間測量的儀器均需以這種原子鐘為基準進行校準。
那麽，這種鐘與先前的鐘有何區別呢？我們稱它為冷原子鐘，而先前的大多數原子鐘屬於熱原子鐘。在冷原子鐘中，我們利用雷射冷卻技術將散逸的原子冷卻成一個緊密的原子團。隨後，透過將原子團向上拋投並使其下落，便能夠探測到原子鐘的效能。
原子的上拋和下落運動類似於噴泉的迴圈，因此這種裝置被稱作噴泉鐘。它構成了現代時間計量的標準，與其他型別的原子鐘存在顯著差異。我們機構研發的首台彩色原子噴泉鐘的主要特征在於其龐大的體積，大約需要占用一個約30平方米的潔凈實驗室空間。該裝置對環境和房間條件的要求極為嚴苛，然而其效能已經能夠確保在三千萬年的時間跨度內誤差不超過一秒。
冷原子光鐘的精確度超越了噴泉鐘兩個數量級，未來有望成為我們時間基準的新標準。其原理基於光頻，與先前的微波頻率標準不同，它采用一台超窄線寬雷射器取代了微波諧振腔，利用這種雷射激發原子。
原子鐘的運作機制相對簡潔，其核心在於利用原子作為基準物質，構建一個類似電子振蕩器的裝置，該裝置能夠產生特定頻段的微波頻率以激發原子。當振蕩器產生的電磁波頻率與原子固有的振動頻率相匹配時，原子將經歷「能階躍遷」。這一現象表明，振蕩器發射的頻率與原子的共振頻率相一致，我們便可以將這一頻率作為原子的共振頻率來使用，這構成了原子鐘運作的基本原理。
原子鐘的工作物質並不是特定的一種或者一類，最常用的是氫原子、鋁原子，還有銫原子、鍶原子，它們都可以去制作不同的原子鐘。
評估原子鐘效能的兩個核心指標是頻率穩定性和頻率準確性。穩定性是指原子鐘輸出訊號頻率波動的程度，而準確性則描述了輸出訊號頻率與既定標準值之間的匹配程度。以射箭為喻，原子鐘既穩定又精確，類似於在射箭時準確命中靶心，這代表了準確性；而所有射箭結果均集中於靶心附近，則體現了其穩定性。
原子鐘的型別繁多，其中氫原子鐘采用氫原子作為其工作介質。氫原子具備穩定的能階躍遷頻率，使其成為高精度時間測量的理想選擇。此外，銫原子鐘、銣原子鐘以及鋁原子鐘等亦是常見的型別，這些原子鐘不僅體積小巧，而且工程化程度高。
原子鐘的套用領域
在天文學中，原子鐘可以精確測量天體的位置和運動。透過對來自遙遠天體的訊號進行高精度時間標記，科學家能夠更準確地計算天體之間的距離、相對運動速度等，為天體物理學的研究提供更精確的數據支持。
在衛星導航系統中，原子鐘也是核心部件之一，其精度決定了導航系統的定位和授時精度。高精度的原子鐘能夠使衛星導航系統的定位更加準確，為人們的出行、航空航海等提供更可靠的導航服務。在未來人類深空探測中，隨著人類探索範圍不斷擴大，對導航的精度要求越來越高。原子鐘可以在遙遠的距離上保持精確計時，為航天器的精確導航提供保障。
在地球科學研究方向，原子鐘透過精確測量時間，對於監測地球的自轉、極移等運動非常關鍵。透過長期的時間測量和對比，可以研究地球自轉速度的變化、地極的移動等現象，為地球物理學、地質學等領域提供基礎數據，幫助科學家理解地球內部結構和地球動力學過程。原子鐘還可以幫助測定地球的形狀、大小和地球重力場等，為地質科學和地球科學的研究提供重要的技術支持。
結語
隨著5G技術的發展，無人駕駛技術的發展，中國也開始研制小型的芯片型原子鐘。這種原子鐘的體積只有硬幣或者手指大小，十分輕便。未來，期待它可以被套用到更多場合和領域。
編輯：皮光宇
出品：科普中國
作者：陳江（中國科學院國家授時中心）
監制：中國科普博覽
