时间计量精度的意义何在? 科研、生活各有所需，各有所求。做学生时上课、下课、考试铃声，1秒-60秒的时间都算不迟到，只要铃声响就可以。公司上班打卡，5分钟之内就算上班不迟到不早退，和朋友会面，10分钟之内都可以接受。但是，购物双十一，那就得几百毫秒-1秒之内才能成功。 百米赛跑，000毫秒-几百毫秒，才能分出胜负。发动机设计每分钟转动数千周， 为改变发动机的频率，提高其运行的速度，时间测量要精确到几十毫秒。火箭发射航天器飞行，则时间控制精度为毫秒。还有一些物理科研活动，如里德堡常数的测量、精细结构常数的稳定性测量、朗德因子的测量、荷质比的测量、引力红移的测量、引力波探测等，其精度都直接取决于时间频率的测量精度。星际飞行、卫星导航航天领域则要求精度误差必须使用达到万年级一秒误差内。

时间计量的古今演变，今天小太和您一起探求一下。

日出而作，日落而息

日月更替，斗转星移，花开花落，人类数千年的文明在时间的长河中缓缓流淌，早在人类文明诞生之初，人类便开始通过对时间的计量来描述万事万物的变化。远古时期，人们以太阳的东升西落作为时间尺度，因此便有“日出而作，日落而息”的人类生活。

时间精度：天。

圭表

据记载，三千年前，西周丞相周公旦在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器，称为圭表。这当为世界上最早的计时器。圭表直立于平地上测日影的标杆和石柱，叫做表 ；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。当太阳照着表的时候，圭上出现了表的影子，根据影子的方向和长度，就能读出时间。圭表可以计时，还可以用来测定节令。夏至日行极北，正午时刻表影最短，冬至日行极南，正午时刻表影最长；春分和秋分太阳出没于正东西，正午时刻圭表的倒影适中，进而确定春分、夏至、秋分、冬至四个节气。

时间精度：时辰。

上古计时神器：圭表圭表实物照片

日晷

日晷是利用日影测得时刻的一种计时仪器，其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻，通常由晷针（表）和晷面（带刻度的表座）组成。古巴比伦在远古时期的6000年前就开始使用了，我国是在3000多年前的周朝，民间开始使用日晷计时。晷盘以南高北低的方式置于石台上，使晷针的上端指向北天极，晷面有12个格，每个格代表2个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也会慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针一样来显示时刻。如今的“小时”概念，就是由晷面刻度演变而来，而钟表表面的设计灵感正是借鉴了晷面的结构。

时间精度：小时

另一件上古计时神器：日冕故宫里的日冕

漏刻

虽然日晷和圭表计时简单可靠，但他依赖日照，当遇到阴天或者黑夜，就没法计时了。阴天下雨怎么办呢？古人的智慧不可小看，一种突破光照限制的计时工具应运而生，他就是漏刻。

漏刻，也叫箭漏，据记载，我国西周时候就已经有了这个东西。漏是带孔的壶，刻是指有刻度的浮箭。水从壶的孔流出，壶中的箭随水面下降，看壶口处箭上的刻度就可以查看时间。单只漏壶误差比较大，为了提高计时的精度，古人发明了多级漏刻。多级漏刻拥有多只漏壶，上下依次串联成一组，每只漏壶都依次向其下一只漏壶中滴水，这样一来，壶内的水位就会基本保持恒定，计时的精度大为提高，因此，漏刻又被称为水钟。

与漏刻原理相似的还有以沙代水计量时间的沙漏。最著名的沙漏是1360年中国明代詹希元创制的“五轮沙漏”。它通过沙斗内的流沙流动驱动初轮，从而带动各级机械齿轮旋转。而显示方式又与现代时钟的表面结构极其相似。有意思的是，每到整点或一刻，便会有两个木人自行出来击鼓报告时刻。

时间精度：东汉以后，我国漏刻的日误差，大都在1分钟以内。

机械结构计时

时间飞速发展，到了现代，机械结构计时工具的出现，使得人类对计时的研究得到突破性的新发展。16世纪，欧洲，意大利天文学家伽利略从教堂吊灯的摆动中受到启发，提出利用单摆制造钟表。后来荷兰物理学家惠更斯通过大量的理论研究与实践，应用伽利略的理论制造出了人类历史上的第一个钟摆。进而又发明了琳瑯满目的设计精良、结构复杂的机械表。

时间精度：约1-0.01秒。

石英机构计时

1928年，第一座石英钟在传奇的贝尔实验室中诞生，沃伦·马里森利用了石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性设计制造。20世纪40年代的石英钟每天差约百分之几秒，到了50年代，石英钟一昼夜的误差只有万分之一秒左右。目前单片机、计算机都使用的晶振来进行系统对时、逻辑控制等。（石英片受温度变化及时间老化影响大，长时间使用精度下降很快。）

一只石英电子手表的电路原理图可能是这样的。

时间精度：理论上0.0001秒。

原子钟

机械和石英晶振的计时精度，满足了人们日常生产生活的需要，但随着科技的飞速发展，在一些特定的科技领域，例如航天航空、测绘、导航、通信等领域，需要更稳定更准确的产品来提供精确的时间频率。于是，1949年世界上第一台原子钟诞生。到1960年代，原子钟及时精度已经全面超过天文-机械计时，在1967年原子钟的不确定性降到E-12，在CGPM的第13届会议上，给出了时间单位秒的新定义“一秒是133Cs原子基态超精细能级跃迁周期的9 192 631 770倍。”在1950年代，原子钟许多相关技术也取得了重大突破，包括微波振荡器、离子阱、填充气体谱线压制技术等，由此诞生了主动钟、离子阱钟、泡式原子钟等。1980年代以后激光冷却技术发展起来以后，很快被应用于原子钟，基于激光冷却原子实现了原子喷泉钟，基于激光冷却离子实现了冷离子钟。空间冷原子钟是基于原子喷泉钟技术发展起来。

原子钟基本原理是利用原子跃迁时释放电磁波，同一种原子的电磁波特征频率是一定的，因此可以作为一种节拍器来保持高度精确的时间。现在用在原子钟里的元素有氢、铯、铷等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。目前，应用的最多的铯原子钟。国内，中国计量院（NIM）最早开展了实用喷泉钟的研究，在2002年获得了国内第一台铯喷泉原子频标NIM-4#钟，上海光机所（SIOM）从1999年开始了铷喷泉钟物理实验的研究。

原子钟的原理图

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现代原子喷泉钟的结构示意图ＩＳＳ的ＰＨＡＲＡＯ冷原子钟方案PHARAO物理系统的光学系统图

著名的“北斗定位技术”，基本原理就是依靠精确计时：不同卫星的信号传到你的手机，信号发出的时间和你手机接收的时间，存在很小的时间差。测出这个差异，手机就能计算出你在地球上的准确位置。在北斗组网系列卫星上搭载的星载原子钟采用的是新一代高精度铷钟，比前代产品体积更小、减重30%以上，而技术性能大幅提升，其精度和美国GPS全球卫星导航系统采用的铷钟水平相当，每2000万年才误差1秒。北斗卫星家族的第47颗和第48颗星又首次配置了轻量化氢原子钟。

北斗的铷原子钟

时间精度：~200万年误差1秒

结束语：

盛年不再来，一日难再晨

及时当勉励，岁月不待人

计量工具只会计量时间

不会留住时间

只有在生命的漏刻里

把握好点滴的努力

才会收到成功的青睐

世事变幻

唯有岁月不可辜负！

作者：太空新媒体矩阵 赵润，硕士，工程师。

文中图表部分参考科学网-魏荣《原子钟那点事》