时间是用什么来做为标准计量的？

“我现在这一分钟是经过了过去无数亿万分钟才出现的，世上再没有比这一分钟和现在更好”，诗人惠特曼的这句诗似乎格外适合美国国家标准和技术学会(National Institute of Standards and Technology，简称NIST)的科学家。从1952年的NBS-1到1999年的NIST-F1，在几十年时间里，他们的原子钟作为标准美国时间的计量基准，致力为2.8亿美国人提供最精确的时间。在2001年，他们更成功制造出了震动频率为每秒千的五次幂周的光学原子钟。这一成果一经发布于《科学》杂志之上，立时便引起了学界轰动，科学家们认为，对光学原子钟的进一步研究，以及由此带来的计量学和物理学中有关标准常量的确定和测量，将会是本年度最值得期待的6项科学突破之一。

即使是最渊博的历史学家也无法告知我们第一座时钟的确切产生日期和它的发明人。我们所知道的是，早在公元前3500年，人类就开始用日晷来确定时间。由于地球自转和公转的角度问题，用这种方式得到的时间不够准确，大约每天要差15分钟左右。在随后的时间里，人类还采取过多种方式来获取较为精确的时间，沙漏、水钟和燃香都曾经被广泛使用。然而，所有的这些时钟都存在着同样问题:精确度不够。

机械钟的出现大大提高了时钟的精确度。1350年，第一座机械闹钟出现于德国，到16世纪初，意大利教堂中就响起了机械钟声。1583年，伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关，这是时钟历史上的一大进步。在前人的研究基础上，1656年，荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟，从此，时钟误差可以以秒来计算。在1762年，最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精确程度，这样的时钟，即使放在如今的日常生活中，也足够用了。但在天文、物理等科学领域中，人们对时间精确度的要求，却并不以此为止境。

1928年，贝尔电话实验室的研究人员沃伦·马里森利用石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性，制造出了第一座石英钟。翌年，第一批石英钟就作为商品面世了。它的每日误差只有万分之一秒，比1920年制造的世界上最精确的机械钟的误差小10倍。自此，石英钟取代机械钟，成为天文台向世界各地的人们提供标准时间的天文钟。

然而，石英钟的风光历史没有持续多久，1949年在美国制造成功的原子钟就以其几千几万年才相差1秒的超卓准确性，将石英钟变成了天文学领域的明日黄花。

说起来，原子钟是最不像时钟的钟。在NIST的实验室中，为美国提供标准时间的NIST-F1看上去就是一大堆让人摸不到头脑的元件，没有时针分针秒针，也没有钟点显示。其实，原子钟的任务，只是提供“秒”这个时间单位的精确计量。

一秒钟如何确定下来？这首先要从时间的概念说起。当我们提到时间时，有时指的是某一时刻，是一个点，有时指的则是两个时刻之间的间隔，是一条线段。只有将这两者结合起来，才能够构成对时间的正确认识。很早以前，科学家们就意识到精确界定秒的长度的重要性了。17世纪，科学家确定了地球自转一周、地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。由此，法国科学院于1820年提出，以一个平太阳日的1/86400作为一个平太阳秒，成为世界时秒长。但是，地球的自转要受季节影响，且呈现逐年减缓的趋势，世界时秒长的精确程度对于飞速发展的空间物理、军事和航天等领域来说就显得不够。量子物理的出现与发展，一方面对时间计量的精确度不断提出更苛刻要求，另一方面，却也指出了解决之道。

根据量子物理学原理，当原子从一种能量状态跃迁到较低的能量状态时，它会释放电磁波。同一种原子产生的电磁波的共振频率是一定的，如铯133原子，它的共振频率就为每秒9192631770周，精确的时间间隔即可由此确定。

哥伦比亚大学的物理学教授、1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比(Isidor Issac Rabi)堪称原子钟之父。在1945年，他就提出，可以运用其在30年代发明的原子束磁共振技术来制造原子钟。使用了拉比的技术，NIST(当时的名称是美国国家标准局，National Bureau of Standards，简称NBS)在1949年使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟。1952年，NIST制成了第一台铯原子钟，它被命名为NBS-1。这一命名规则被延续下来，一直到1975年的NBS-6(它的下一代名为NIST-7，再下一代则为NIST-F1)。在那个时候，NBS-6的精确程度已经可以达到在30万年的时间中，既不会快1秒，也不会慢1秒了。

从原子钟诞生之日起，各国科学家就尝试过使用各种物质原子来制造它，先后出现有氢原子钟和铷原子钟，但它们的地位都远远无法同铯原子钟相比。尽管氢原子钟和铷原子钟的造价比铯原子钟低廉(目前位于NIST实验室中的NIST-F1原子钟价值65万美元)，而且体积较小，但精确度不够高。因此，在1967年召开的国际计量大会(General Conference on Weights and Measures，简称CGPM)上，科学家们根据铯原子的振荡频率定义了秒的长度，那就是:铯133原子基态的两个超精细能量级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒。自此，全世界的计时标准不再建立于天文学的基础上，而这一标准也一直被沿用至今。但是，伴随着物理学家在玻色-爱因斯坦凝聚方面取得的突破，以及原子喷泉技术的进一步完善，铯原子的江湖霸主地位也遭到挑战。NIST最新制造的光学原子钟，所采用的就不是铯原子，而是汞离子(即失去一个电子的汞原子)。它的振荡频率比当今最准确的原子钟、每秒钟振荡90亿周的NIST-F1的高10万倍。主持这台光学原子钟制造工作的NIST物理学家司各特·迪达姆斯(Scott Diddams)在接受《科学》杂志采访时说，“它具有比当今最好的时钟准确1000倍的潜力”。

科学家对精确的追求随着技术的进步和实验工艺的改进而不断提高。在平常人看来，让众多科学家倾毕生之力追求的从100万年差1秒到10亿年差1秒的飞跃可能毫无意义，但事实并非如此。即使是从最功利的角度来看，原子钟技术给人类带来的益处也是无处不在。从GPS卫星定位系统，到无线通讯和光纤数据传输技术，它们的背后，都响着原子钟的“嘀哒”声。或许“最精确”是个一出现就立刻成为过去时的概念，或许它是一个永远都无法企及的将来时，但无论如何，在从精确到更精确的现在时中，人类在进步。

时间:

量度两个时刻之间的间隔长短的物理量叫做“时间”。它表征物质运动过程的持续性和顺序性。任何一种周期运动的周期都可作为时间标准，如中国古代的水漏，十二地支（子，丑，寅，卯 ）都是利用周期性的计时方法。时间是物理学中的一个基本物理量。一段时间在时间坐标轴上用一线段表示。为了用具体数字说明时间，必须选择某一时刻作为计时起点，这是人为的。计时起点不一定是物体开始运动的时刻。在物理学中，将太阳每连续两次经过观察者所在的子午线的时间称为一个太阳日，即一昼夜。因太阳日略有差异，取一年中所有太阳日的平均值作为时间的标准，称为一个平均太阳日，简称1日。1日分为24小时，1小时分为60分，1分又分为60秒，于是规定1日的86400分之一为1秒作时间标准。但是这样规定的秒是不精确的。1967年在第13届国际计量大会上，规定以基态铯133原子的两超精细结构能级之间的辐射周期的9192 631 7700倍为1标准秒。时间常跟位移或平均速度相对应，例如：“五秒钟内所发生的位移”或“头两秒内的平均速度”。

秒是怎样确定的？
时间单位秒，最早是利用地球自转运动来规定的。天文工作者把太阳连续两次通过观察者所在子午线上空的时间定为24小时，叫做“太阳日”。但是实际上地球自转的周期是不稳定的，太阳日有长有短，因此，国际上就采用一年内各太阳日的平均值作为24小时，称为“平太阳日”。
19世纪末，将一个平太阳日的1／86400作为1秒，并把这种以地球自转为基础的时间计量系统称为世界时。
随着科学技术的发展。秒的定义曾经作过两次重大修改。
20世纪以来，发现地球的自转运动存在着不规则变化，并有减慢的趋势，这样就使得世界时“秒”逐年变化，不能保持恒定。因此，按此定义复现秒的准确度只能达到1×10－8。1960年第十一届国际计量大会决定采用历书时代替世界时。历书时是以地球的公转运动为基础的。历书时规定从1900年1月0日12时整起算的回归年的1／31556925．9747作为1秒。按此定义复现秒的准确度提高到1×10－9。但是，历书时通常是由长时间的天文观测来测定的，观测精度较低，无法满足科学技术的飞速发展。1967年第十三届国际计量大会决定用原子时取代历书时，原子时的秒定义为：“秒是铯—133原子基态的两个越精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。按此定义复现秒的准确度已超过1×10－13。

时标

时标意指一种将时间分配到事件的制度。现时有两类时间标准广泛被采用。一种是基于天文学，另一种则以原子振动的频率作为依据。

1.视太阳时

视太阳时是一种源于太阳所见位置的时间标准。日晷可直接显示视太阳时。

2.UT0
由于地球轨道并非圆形，其运行速度又随着地球与太阳的距离改变而出现变化，因此视太阳时欠缺均匀性。视太阳日的长度同时亦受到地球自转轴相对轨道面的倾斜度所影响。为着要纠正上述的不均匀性，天文学家计算地球非圆形轨迹与极轴倾斜对视太阳时的效应。平太阳时就是指经修订后的视太阳时。在格林尼治子午线上的平太阳时称为世界时(UT0)，又叫格林尼治平时(GMT)。

3.UT1
UT1 与 UT2 是两种较 UT0 均匀的时标。随着较为精确的时钟面世，天文学家发现在不同地点量度的世界时出现差别。这种差别是由于地轴摆动而引起的。各地天文台详细测量了地轴摆动的影响后，制定了一种称为 UT1 的新时标将这种影响删除。

4.UT2
在时钟的精确度进一步改进后，又发现 UT1 具有周期性变化。这种变化是由地球自转率的季节性变动引起的。上述影响经修正后，得到一种更加均匀的时标称为 UT2。

5.国际原子时(TAI):

1967年的第13届国际度量衡会议上通过?133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。国际原子时是根据以上秒的定义的一种国际参照时标，属国际单位制(SI)。

国际原子时标是一种连续性时标，由1958年1月1日0时0分0秒起，以日、时、分、秒计算。原子时标的准确度为每日数纳秒，而世界时的准确度则只为数毫秒。

1967年，国际计量大会决定采用原子秒定义取代历书时秒定义。即将铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定义为一秒。按此定义复现秒的准确度已优于十万亿分之一秒。
原子时标是由连续不断工作着的原子钟得到的。对各自独立的原子时标加以平均，可以提高它们的均匀性国际时间局根据国际单位制时间单位秒的定义，以各国有关研究所运转的原子钟的读数为依据，进行加权平均得到的时间参考坐标叫做国际原子时(TAl)，它的起点是1958年1月O日O时O分O秒(UT2)。

对于时间概念的建立是根据人们对外界的感觉建立起来的。
时间很抽象。于是人们习惯找一种所谓速度不变的东西来确定他在单位距离内跑过的这样一个量来定时间。
也就是把光跑一定的距离耗费掉的另外一个量的大小规定为1秒。