升国旗一秒不差，凭的啥？

在心理认知和群体行为条理上，时候大要是一个最没有尺度的工具了（好比“顿时到”“等一下”这些日常用语所表现出来的不靠谱），而在计量条理上，时候的尺度在各类物理量傍边可算是最切确的了。这个有趣的现象反映的大要是时候的商定性差别。跟着手艺的高速成长，现代社会在慢慢辞别“畴前慢”，这种商定差别在不知不觉缩小。人类对于准时性的要求越来越高，现代时候计量也已从宏不雅的“不雅天授时”走标的目的依靠于微不雅层面的原子过程。时候认知与人类成长的伴生问题过于复杂，我们暂且搁下 “时候都去哪了”的问题，先看看时候尺度从何而来。我们经常说的海说神聊京时候又是哪儿的时候？

撰文 | 张晓斐（中国科学院国度授时中间研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院岗亭传授）

昨日上映的国庆献礼片《我和我的故国》讲述了七个故事，此中《回归》还原了1997年7月1日喷鼻港回归的盛况。对于时任交际部礼宾司副司长、交代典礼总批示安文彬来说，他最主要的使命即是包管五星红旗在7月1日0时0分0秒准时升起，一秒不差，让喷鼻港的本家儿权准时回归故国。

《我和我的故国》剧照

那时，对于7月1日0时0分0秒这个时刻，是该英国降旗仍是中国升旗，中英两边进行了16次交际构和。这一秒代表的是中国对喷鼻港回归的底线，必需一秒都不克不及差，而真正做到“一秒不差”就要依靠精准的计时和授时。要保障精准计时和授时，则不得不说中国时候计量成长中最主要的一环——原子钟的成长，其对“一秒”的精度也有着同样的执着。

时候事实是什么？——时候的界说计量

说起时候，每小我城市说我知道。可是，时候事实是什么，却老是很难说清晰。其实，自从地球上呈现人类的那天起，时候的测量一向是人类日常糊口必不成少的一项工作。时候作为根基物理量之一，是今朝测量精度最高也是人类糊口应用最普遍的物理量。时候的单元是秒，最早的时候是以地球自转作为尺度，称为宿世界时。它对秒的界说是指一个平太阳日的1/86400为1秒。

后来的研究发现，地球自转速度并不平均，之后颠末持久不雅测后，人们采用精确度更高的历书时对时候单元“秒”进行界说。这种基于天体测量对时候进行界说的天文时候对人类汗青的成长作出了庞大的进献。然而天体的活动速度并不是完全平均的，其周期也并非完全不变，是以对测量的精度有很大的限制，并且不雅测时候长，不克不及很好地知足现代科学手艺高速成长的需要。

若何切确量出一秒？——原子时的呈现

跟着量子物理学（激光冷却原子手艺）和激光光谱学的敏捷成长，人们起头熟悉到原子或分子振荡的周期很是不变，其精度远远高于基于天体活动作为尺度的宿世界时和历书时，用其来界说秒可以使秒的精度获得极大地提高。操纵原子振荡频率确定的时候尺度，我们一般称之为原子时[1]。1967年，第十三届国际计量大会经由过程抉择，把本来基于天体宏不雅周期活动的时候单元“秒” 长界说，改为基于原子内部的微不雅活动，将 “秒” 长界说为铯（133Cs）(133为左上角标)原子基态的两个超邃密布局子能级间跃迁电磁辐射周期的 9192631770 倍所持续的时候。

而 “秒” 长界说的复现和时候频率的切确测量则需要依靠量子频标来实现。量子频标又称“原子频标”，简单地讲，原子频标是应用原子或离子内部能级间的跃迁频率作为参考，锁心猿意马晶体振器（简称“晶振”）或激光器频率，从而输出尺度频率旌旗灯号的旌旗灯号发生器。在计量学中，我们称其为频率尺度器具，它是今世第一个基于量子力学道理做当作的计量器具。因为物体活动周期与频率当作反比，所以原子频标凡是又叫原子钟。现实上，原子钟应该是可以或许发生时候旌旗灯号（如秒脉冲）并有计数装配的原子频标。近三十多年来，跟着新物理理论和新手艺当作果的应用，人们研制出了分歧类型的新型原子钟，它们已经或即将应用于卫星导航定位系统[2]。

原子钟也有多种，若何寻找最精准的原子钟？

铯（Cs）原子具有的一些属性使其当作为基于原子共振跃迁的频率尺度，在20宿世纪50年月早期，宿世界上很多尝试室已经起头了对基于铯原子的时候频率尺度的研制。铯原子的原子质量相对较重，是以，它们的移动速度相对较慢，在室温下约为每秒130米，这就使得铯原子与微波场的感化时候较长。

此外，铯也有相对较高的超邃密跃迁频率（9.2 GHz），例如铷和氢原子的超邃密跃迁频率别离为6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英国国度物理尝试室 (NPL) 研制出了第一台铯原子钟，获得1×10^-9的禁绝确度[3]。由铯供给的高精度和精确度时候频率尺度导致了对时候单元 “秒” 的新界说的发生。颠末60余年的成长，今朝的铯原子钟的精确度已经达到了10^-16，其精度接近1亿年不差一秒[3]。

跟着半导体激光手艺、电磁囚禁手艺、激光冷却和陷俘原子手艺等新手艺的成长，以及新物理道理的应用，新型原子钟手艺的成长十分敏捷。一方面人们应用这些新手艺摸索机能更高的新尺度，另一方面尽力追求小型化的新路子。这些新物理道理和新手艺的当作功应用，催生了以超冷原子为工作物质的原子喷泉、离子储存、中性原子囚禁等类型的冷原子钟和光钟，使原子钟的不变度和精确度提高了1～2个数目级，甚至达到10^-18。20宿世纪90年月后，尤其是比来几年，这些新手艺被引进到我国，而且在国内敏捷成长，新型原子钟的研究已经蓬勃成长[4]。

1、如喷泉般上抛和下落——冷原子喷泉钟

时候频率基准钟装配是运行在必然的尝试室情况，具有自我评估能力的最高时候频率尺度装配，是时候频率计量单元传递的源。近十几年来，作为列国的时候频率基准，传统的磁选态和光抽运大型铯束原子钟逐渐被铯原子喷泉钟代替。

原子喷泉的根基设法如图 1 所示，我们搭建一个竖立的真空装配，真空中充有工作介质（铷或铯）的饱和蒸气，操纵激光方式俘获原子，并将其冷却到很是低的温度，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力的感化，它两次穿过微波腔，与时候上的分手振荡场感化，发生钟跃迁，然后探测分歧能级的原子。最后获得与 Ramsey 钟跃迁响应的荧光旌旗灯号。应用该荧光旌旗灯号即可完当作对适用频标的频率锁心猿意马。我国先后从事冷原子喷泉钟研究的有海说神聊京大学、中国计量科学研究院、中国科学院上海光机所和中国科学院国度授时中间。

图1 原子喷泉概念示意图

2、精确度更高的冷原子光钟

原子钟的精确度和不变度均以其所应用的量子跃迁谱线频率的相对值来暗示。与微波旌旗灯号比拟，光旌旗灯号的频率高，而且有一些原子或离子的光学频率跃迁谱线很窄，其响应的Q值（谱线质量因子）高达10^18。操纵这些谱线实现的频标，即光频标，具有极高的频率不变度，其精确度和不变度将优于10^-18。

近些年来，原子冷却手艺，尤其是光晶格原子囚禁手艺的飞速成长，使基于冷原子样品而实现的光频标拥有高精确度的潜力，而且具有高信噪比和低量子投射噪声。宿世界发财国度纷纷开展了基于冷原子的光频标研制。冷原子光钟研究进展很是敏捷，一些尝试室接踵报道的数据表白，其研究的冷原子光钟的不变度和精确度机能已超越了铯原子喷泉钟[2]。

今朝，锶光钟的不变度和精确度达到10^-19量级，比喷泉钟高4-5个量级。

图2 光频标本家儿要构件图

激光冷却的原子（离子)，用稳频激光器的脉冲去探测，激励被冷却的原子发生 “钟” 跃迁。用声光调制器 (AOM) 来调节探测激光的频率，使它接近原子的共振频率，原子的跃迁信息由光电倍增管收集原子荧光来进行检测。对探测激光频率进行调制，原子跃迁发生的旌旗灯号作参考经由过程 AOM 和伺服系统，将探测激光频率锁到原子的共振中间，组成光频标。激光线宽由很好隔离的光腔压缩，并被不变到原子跃迁中间。光梳把激光的频率切确地传递到其他光频和微波规模。

在我国，华东师范大学与中国科学院武汉物数所开展了镱原子光钟的研究，中国计量科学研究院和中科院国度授时中间正在开展锶原子光钟的研究（图3）[4]。

图3 国度授时中间锶原子光钟尝试系统

每一台钟都有本身的时候，全宿世界的时候若何同一？

每一台原子钟城市供给一个精确的时候，国际原子时是经由过程全球70多个尝试室的400多台氢、铯商品原子钟平均后，再由更精确的铯、铷喷泉钟校准而获得的。国际原子时在1958年1月1日0时与天文时对齐，它与天文时中的宿世界时以 “闰秒” 的形式相连系，发生 “协调宿世界时（UTC）”，并供全宿世界利用。宿世界上的每个时候尝试室都经由过程地球同步卫星双标的目的时候比对，或全球卫星导航系统 (GNSS) 时候比对的体例与国际尺度时候对齐，当所有守时尝试室的时候都与国际尺度时候同步后，全宿世界的时候天然也就一致了。

海说神聊京时候事实是哪的时候？

我国幅员广宽，横跨5个时区，为了便利人们的日常糊口和时候办理，需要界说一个全国（包罗喷鼻港、澳门、台湾）人平易近通用的尺度时候！清朝光绪28年（1902年），中国海关拟定海岸时，将东经120度的时刻作为尺度时候；平易近国28年（1939年）3月9日，中华平易近国内政部召集尺度时候会议，确认将东经120度的时候作为 “华夏尺度时候”；在中华人平易近共和国当作立（1949年）之后，将 “华夏尺度时候” 改称为 “海说神聊京时候”！

也就是说，“海说神聊京时候”是东经120度的时候，而海说神聊京位于东经116.4度，是以，海说神聊京本地时候与海说神聊京时候相差约14分半钟；而杭州地处东经120.2度，是以，杭州当地的时候与海说神聊京时候最接近。我国的首都是海说神聊京，从某种意义上来说，海说神聊京就是中国的象征，是以将我国的尺度时候称之为 “海说神聊京时候”。海说神聊京时候是由位于陕西省西安市临潼区的中国科学院国度授时中间负责发生、连结和发播的（图4-5）。

图4 中国科学院国度授时中间

图5 我国时候基准连结系统

将海说神聊京时候即国度尺度时候发播给大师，也是中国科学院国度授时中间的一大本能机能——授时。现现在的授时手段是多样化的，好比长短波授时系统、低频时码授时、互联网授时、卫星单标的目的授时、卫星双标的目的时候传递、光纤传递等，授时方式分歧，授时精度也有所分歧，用户可以按照本身的需求选择分歧的授时（图6）。

图6 各类授时方式的比力

各类时候用户经由过程长短波、低频时码和卫星导航等按时领受机获得时候旌旗灯号后，将其普遍地应用于各行各业。例如，

交通部分需要切确的时候来进行调剂

通信基站间需要切确的时候来维持通信电路时序

卫星的发射需要切确的时候来确捍卫星正常入轨

供电站需要精确的时候来监测其故障点

金融机构之间需要精确的时候来完当作平安买卖

我们和洽伴侣约会时，大多以分来确按时间就可以了，而此刻各行各业对时候精度提出了更高要求，需要达到秒、毫秒、微秒、纳秒，甚至是皮秒量级[6]。

至此，相信大师对时候，原子钟和海说神聊京时候已经有了总体上的领会，对它们主要性以及彼此之间的关系也不再目生了。最后，接待列位小伙伴参不雅位于西安市临潼区的中国科学院国度授时中间（“首批中国十大科技旅游基地”之一），走进时候科学馆（我国独一的时候本家儿题科学馆，纵览古今中外授时仪器和授时手艺成长），感触感染“大科学装配”和“海说神聊京时候”的脉搏。

参考文献

[1] 刘辉，应用于锶光钟的激光手艺及光谱探测研究 [D]，中国科学院研究生院(国度授时中间), 2016.

[2] 张首刚，新型原子钟成长近况，时候频率学报，2009，32(2)：81-9．

[3] 郭阳，锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测 [M] ，中国科学院研究生院(国度授时中间), 2018.

[4] 翟造当作，杨佩红，新型原子钟及其在我国的成长，激光与光电子学进展，p21-31，2009.03

[5] 武文俊，“你知道为了确按时间，我们花了几多“时候”吗？”，中国科学院国度授时中间微信公家号

[6] 刘琼瑶，“关于海说神聊京时候，这里绝对有你不知道的！”，中国科学院国度授时中间微信公家号

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