從日晷到原子鐘，我們如何確定時間？

現代工作和生活中的一秒是怎么來的？

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級間振蕩躍遷9192631770次所持續的時間。如今，我們獲取時間信息非常方便，只需隨手拿起手機就能知道。那在古代，人們是如何進行時間計量的呢？下面就介紹一下古代計量時間的三種方法。

日晷：主要由晷面（也稱為晷盤）和晷針（也稱表針或日晷針）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也會隨之移動。

當太陽位于最高點（即正午時分）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”。通過觀察晷針影子在晷面上的位置，并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，是古時人們利用火的燃燒來測量時間的裝置。火鐘利用火的穩定燃燒速度來計時：在特定的結構上，比如一根香或蠟燭上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，會燒斷棉線使鈴鐺落下發出聲響，從而標記時間的流逝。每次鈴鐺落下或聲響發出，都代表著一段時間的結束，從而實現對時間的測量。

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。在刻漏中，當水從第一個桶滴入第二個桶時，可以通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，是通過稱量水流進桶中的重量來計算時間。

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，那我們為什么需要這么高精度的時間呢？時間的精度對于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5500萬千米之遙的火星，并進行了近距離的探索研究。那么這一成就和時間有什么關聯呢？

我們知道，探測器首先將被加速至11.2千米/秒的第二宇宙速度，地球距離火星如此遙遠，若探測器在地火轉移軌道附近存在1千米的高度誤差，那么它抵達火星時可能就會產生高達10萬千米的距離誤差。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，而是差之萬里了。

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。

原子鐘如何工作？

現代意義上定義“一秒”的裝置被稱為銫原子噴泉鐘，它也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。

那么，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于熱原子鐘。在冷原子鐘中，我們利用激光冷卻技術將散逸的原子冷卻成一個緊密的原子團。隨后，通過將原子團向上拋投并使其下落，便能夠探測到原子鐘的性能。

原子鐘的應用領域

在天文學中，原子鐘可以精確測量天體的位置和運動。通過對來自遙遠天體的信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，隨著人類探索范圍不斷擴大，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。