時間計量精度的意義何在? 科研、生活各有所需，各有所求。做學生時上課、下課、考試鈴聲，1秒-60秒的時間都算不遲到，隻要鈴聲響就可以。公司上班打卡，5分鐘之內就算上班不遲到不早退，和朋友會面，10分鐘之內都可以接受。但是，購物雙十一，那就得幾百毫秒-1秒之內才能成功。 百米賽跑，000毫秒-幾百毫秒，才能分出勝負。發動機設計每分鐘轉動數千周， 為改變發動機的頻率，提高其運行的速度，時間測量要精確到幾十毫秒。火箭發射航天器飛行，則時間控制精度為毫秒。還有一些物理科研活動，如裡德堡常數的測量、精細結構常數的穩定性測量、朗德因子的測量、荷質比的測量、引力紅移的測量、引力波探測等，其精度都直接取決於時間頻率的測量精度。星際飛行、衛星導航航天領域則要求精度誤差必須使用達到萬年級一秒誤差內。

時間計量的古今演變，今天小太和您一起探求一下。

日出而作，日落而息

日月更替，鬥轉星移，花開花落，人類數千年的文明在時間的長河中緩緩流淌，早在人類文明誕生之初，人類便開始通過對時間的計量來描述萬事萬物的變化。遠古時期，人們以太陽的東升西落作為時間尺度，因此便有“日出而作，日落而息”的人類生活。

時間精度：天。

圭表

據記載，三千年前，西周丞相周公旦在河南登封縣設置過一種以測定日影長度來確定時間的儀器，稱為圭表。這當為世界上最早的計時器。圭表直立於平地上測日影的標桿和石柱，叫做表 ；正南正北方向平放的測定表影長度的刻板，叫做圭。當太陽照著表的時候，圭上出現瞭表的影子，根據影子的方向和長度，就能讀出時間。圭表可以計時，還可以用來測定節令。夏至日行極北，正午時刻表影最短，冬至日行極南，正午時刻表影最長；春分和秋分太陽出沒於正東西，正午時刻圭表的倒影適中，進而確定春分、夏至、秋分、冬至四個節氣。

時間精度：時辰。

上古計時神器：圭表圭表實物照片

日晷

日晷是利用日影測得時刻的一種計時儀器，其原理就是利用太陽的投影方向來測定並劃分時刻，通常由晷針（表）和晷面（帶刻度的表座）組成。古巴比倫在遠古時期的6000年前就開始使用瞭，我國是在3000多年前的周朝，民間開始使用日晷計時。晷盤以南高北低的方式置於石臺上，使晷針的上端指向北天極，晷面有12個格，每個格代表2個小時。當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也會慢慢地由西向東移動。於是，移動著的晷針影子好像是現代鐘表的指針一樣來顯示時刻。如今的“小時”概念，就是由晷面刻度演變而來，而鐘表表面的設計靈感正是借鑒瞭晷面的結構。

時間精度：小時

另一件上古計時神器：日冕故宮裡的日冕

漏刻

雖然日晷和圭表計時簡單可靠，但他依賴日照，當遇到陰天或者黑夜，就沒法計時瞭。陰天下雨怎麼辦呢？古人的智慧不可小看，一種突破光照限制的計時工具應運而生，他就是漏刻。

漏刻，也叫箭漏，據記載，我國西周時候就已經有瞭這個東西。漏是帶孔的壺，刻是指有刻度的浮箭。水從壺的孔流出，壺中的箭隨水面下降，看壺口處箭上的刻度就可以查看時間。單隻漏壺誤差比較大，為瞭提高計時的精度，古人發明瞭多級漏刻。多級漏刻擁有多隻漏壺，上下依次串聯成一組，每隻漏壺都依次向其下一隻漏壺中滴水，這樣一來，壺內的水位就會基本保持恒定，計時的精度大為提高，因此，漏刻又被稱為水鐘。

與漏刻原理相似的還有以沙代水計量時間的沙漏。最著名的沙漏是1360年中國明代詹希元創制的“五輪沙漏”。它通過沙鬥內的流沙流動驅動初輪，從而帶動各級機械齒輪旋轉。而顯示方式又與現代時鐘的表面結構極其相似。有意思的是，每到整點或一刻，便會有兩個木人自行出來擊鼓報告時刻。

時間精度：東漢以後，我國漏刻的日誤差，大都在1分鐘以內。

機械結構計時

時間飛速發展，到瞭現代，機械結構計時工具的出現，使得人類對計時的研究得到突破性的新發展。16世紀，歐洲，意大利天文學傢伽利略從教堂吊燈的擺動中受到啟發，提出利用單擺制造鐘表。後來荷蘭物理學傢惠更斯通過大量的理論研究與實踐，應用伽利略的理論制造出瞭人類歷史上的第一個鐘擺。進而又發明瞭琳瑯滿目的設計精良、結構復雜的機械表。

時間精度：約1-0.01秒。

石英機構計時

1928年，第一座石英鐘在傳奇的貝爾實驗室中誕生，沃倫·馬裡森利用瞭石英晶體在電路中能夠產生頻率穩定震動的特性設計制造。20世紀40年代的石英鐘每天差約百分之幾秒，到瞭50年代，石英鐘一晝夜的誤差隻有萬分之一秒左右。目前單片機、計算機都使用的晶振來進行系統對時、邏輯控制等。（石英片受溫度變化及時間老化影響大，長時間使用精度下降很快。）

一隻石英電子手表的電路原理圖可能是這樣的。

時間精度：理論上0.0001秒。

原子鐘

機械和石英晶振的計時精度，滿足瞭人們日常生產生活的需要，但隨著科技的飛速發展，在一些特定的科技領域，例如航天航空、測繪、導航、通信等領域，需要更穩定更準確的產品來提供精確的時間頻率。於是，1949年世界上第一臺原子鐘誕生。到1960年代，原子鐘及時精度已經全面超過天文-機械計時，在1967年原子鐘的不確定性降到E-12，在CGPM的第13屆會議上，給出瞭時間單位秒的新定義“一秒是133Cs原子基態超精細能級躍遷周期的9 192 631 770倍。”在1950年代，原子鐘許多相關技術也取得瞭重大突破，包括微波振蕩器、離子阱、填充氣體譜線壓制技術等，由此誕生瞭主動鐘、離子阱鐘、泡式原子鐘等。1980年代以後激光冷卻技術發展起來以後，很快被應用於原子鐘，基於激光冷卻原子實現瞭原子噴泉鐘，基於激光冷卻離子實現瞭冷離子鐘。空間冷原子鐘是基於原子噴泉鐘技術發展起來。

原子鐘基本原理是利用原子躍遷時釋放電磁波，同一種原子的電磁波特征頻率是一定的，因此可以作為一種節拍器來保持高度精確的時間。現在用在原子鐘裡的元素有氫、銫、銣等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。目前，應用的最多的銫原子鐘。國內，中國計量院（NIM）最早開展瞭實用噴泉鐘的研究，在2002年獲得瞭國內第一臺銫噴泉原子頻標NIM-4#鐘，上海光機所（SIOM）從1999年開始瞭銣噴泉鐘物理實驗的研究。

原子鐘的原理圖

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現代原子噴泉鐘的結構示意圖ＩＳＳ的ＰＨＡＲＡＯ冷原子鐘方案PHARAO物理系統的光學系統圖

著名的“北鬥定位技術”，基本原理就是依靠精確計時：不同衛星的信號傳到你的手機，信號發出的時間和你手機接收的時間，存在很小的時間差。測出這個差異，手機就能計算出你在地球上的準確位置。在北鬥組網系列衛星上搭載的星載原子鐘采用的是新一代高精度銣鐘，比前代產品體積更小、減重30%以上，而技術性能大幅提升，其精度和美國GPS全球衛星導航系統采用的銣鐘水平相當，每2000萬年才誤差1秒。北鬥衛星傢族的第47顆和第48顆星又首次配置瞭輕量化氫原子鐘。

北鬥的銣原子鐘

時間精度：~200萬年誤差1秒

結束語：

盛年不再來，一日難再晨

及時當勉勵，歲月不待人

計量工具隻會計量時間

不會留住時間

隻有在生命的漏刻裡

把握好點滴的努力

才會收到成功的青睞

世事變幻

唯有歲月不可辜負！

作者：太空新媒體矩陣 趙潤，碩士，工程師。

文中圖表部分參考科學網-魏榮《原子鐘那點事》