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宿世人总感慨时候荏苒，岁月蹉跎，老是回顾旧事的时辰难免自问“时候都去哪了”。然而科学家们思虑的倒是完全相反的问题——“时候从哪里来”。我们泛泛利用的海说神聊京时候是怎么获得的?如何包管时候测量的精确性和持久不变性？这些问题不仅关系到浩繁依靠高精度计时的应用手艺，更是在根本理论的研究，计量学的成长上占有主要的地位。
本文将从根基的测量出发，简要介绍同一的测量尺度在人类社会成长中的演变历程，阐释时候测量在浩繁物理量测量中的特别地位。继而诠释当今最前沿的时候基准采用的根基手艺及其道理。
同一怀抱衡之路
测量的古与今
昔秦王扫六合，同一华夏，将六国膏壤收入囊中。在同一之后，立即就推出了“同一怀抱衡”的诏令。要同一测量最关头的一点即是要有尺度具。现存于上海博物馆的“商鞅方升”即是商鞅制造的怀抱衡器尺度。同一怀抱衡打扫了经济文化成长的障碍，使得大到基于钱粮和俸禄的国度机制，小到柴米油盐贩子生意的苍生平易近生得以有条不紊的进行。可见在古代人们对怀抱衡的尺度的拟定便有很高的需求。时至今日，科技成长，文明前进，人们对测量的要求只增不减。紧密的测量也越来越多的深切的我们的日常生活中。
图1 商鞅方升 丨图片来历：百度百科
此刻的司机们已经很少会碰到在路上迷路的逆境了。只要打开手机导航，就算是一次也没去过的城市也可以轻松的找到路线。十几年前想当作为好司机还需要好的记性的日子已经一去不复返了，这一切得归功于全球卫星定位系统 (GPS) 。这即是紧密测量在我们日常中大放异彩的典型案例。为了能知足我们日常的利用，定位的精度在几米量级就已经足够了。几米对我们来说可能并不算很小的长度，以至于我们很难把他和紧密测量联系起来。现实上，GPS系统是经由过程接管分歧卫星的时候戳旌旗灯号，按照分歧卫星的旌旗灯号接收时候差推算出位置的。假设抱负环境，旌旗灯号按照光速传布，若是但愿达到米量级的定位，则需要测量的时候差在10e-9s量级，要包管分歧GPS卫星时候同步，GPS卫星的计时误差还要更小！这对测量尺度的拟定提出了很高的要求。
图2 GPS定位道理 丨图片来历：JIBAO网
根基测量和测量尺度演化
测量的形式多种多样，长度，时候，压强，温度，重量……纷歧而足。面临各类各样类型的测量，人们拟定了7个单元为根基单元，再经由过程一些物理定律间接界说其他单元。这样只需要精确地界说这7个单元就可以精确地界说所有单元。尺度拟定的使命也是以减轻了良多。然而，即使只有7个根基单元，人们仍是颠末了一代又一代的测验考试和改良。以长度为例，除去诸如法老身体上的长度之类的十分禁绝确的界说之外，最早的系统化、科学化的长度界说来自于16宿世纪的法国神职人员加布里埃尔·穆东。他提出操纵地球子午线长度作为基准界说单元米。后来国会采用了这种方式，将地球子午线的一万万分之必然义为一米。地球子午线的长度界说米有良多长处。首先，地球子午线的长度是一个相对不变不变的量，其次地球子午线快要一万万米，就算测量子午线的长度存在一公里的误差，计较获得的米的误差也只有万分之一米。可是地球子午线的测量并不便利，后来在《米制公约》中，人们利用90%铂和10%铱的合金建造了米的尺度器具，作为米的尺度。利用这种金属建造也恰是为了削减时候和情况的转变对尺度具的影响。跟着物理学的研究进入微不雅范畴，对原子的理解进一步加深。人们发现不变的原子才是天然界最好的尺子，随即将米界说为氪86原子在2p10和5d5量子能级之间跃迁所发出的电磁波在真空中的波长的1650763.73倍。
图3 国际米原器丨图片来历：维基百科国际米原器词条
时候测量
而现现在米的界说是光在1/299792458秒内涵真空中行进的距离。这个改变的念头并不是因为人们找到了比原子更好的尺子。因为最新的界说中秒的界说，恰是从原子中来的。这可能会令人费解，操纵7个根基单元中的一个去界说另一个，何须大费周章?现实上不仅长度的单元如斯，其他的单元也都或多或少的和秒的界说联系了起来。
如下图暗示的是铯原子跃迁频率、普朗克常数、阿伏伽德罗常数、单色光源的发光效能、玻尔兹曼常数、电子电荷、光速和7个根基单元秒, 千克, 坎德拉, 开尔文, 安培, 米，摩尔的界说关系。箭头暗示头部的量是由根部界说的。好比米，是由光速和秒界说的。不难发现除了秒之外的6个根基物理学单元中，有5个的界说都和秒离不开。
秒，或者说时候的测量在测量尺度中占有了极其特别的地位。这是因为时候是今朝人类当前科技程度下可以测量得最精准的物理量！今朝秒是由原子钟界说的，即铯133原子在基态下的两个超邃密能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的时候。
图4 国际单元制各单元界说关系丨图片来历：维基百科国际单元制根基单元词条
寻找时候的绳尺
前人的计时聪明
计时道理万变不离其宗，简单来说就是数周期。这并不新颖，相反，这种思惟古老得让人们找不到发源。前人“日出而作，日落而息”，经由过程地球自转的周期界说了天，经由过程地球公转的周期界说了年。这个周期的界说十分天然，可是却并不精准。首先我们知道地球的自转和公转并不是那么抱负，不仅要考虑到公转和自转对日夜更替的影响并不自力，还要考虑到地球不只有自转公转，还有章动进动等。除此之外埠球的自转也在以难以察觉的速度变慢。这直接导致了现行历法的复杂度。每隔四年需要置闰月，每隔四百年还要少置一个闰月，甚至按照机会还需要闰秒。2016年12月31日的最后一分钟有61秒，这是比来的一次闰秒。固然自2008年以来就有拔除闰秒的呼声，可是截至今朝表决还没有经由过程。这足以看出日夜更替的周期并不是抱负的计时单元。除了周期长度不确定之外，周期过长也是一大弊病。人们可以很切确地数出过了几多天，可是很难切确地说呈现在过了一天的百分之几多。就像是一小我数着太阳光强了弱了的瓜代次数就可以精确无误地说出来过了几多天，可是如果他俄然走出室外看到外面柔和的阳光，他很难区分这是因为在上午仍是因为是阴天。旌旗灯号的强度比起频率更轻易受到外界情况的影响！是以寻找周期加倍不变，周期更短的计时尺度是时候尺度拟定的成长偏向。
再到后来人们陆续发现了水滴计时，沙漏，摆钟等等。这些发现确其实必然水平上提高了时候精度，可是并没有带来质的飞跃。因为这些计时器的周期都存在很大的不确定性。一方面周期的长短由设计参数决议。好比沙漏中沙子的几多，摆钟中钟摆的长度。建造两个分歧的摆钟必需要包管同样的长度，为了包管长度不异，又可能需要其他的基准。另一方面，周期是由宏不雅物理活动发生的。物理活动不免会受到情况的影响。分歧的湿度和温度下，分歧的气压，分歧的摩擦系数城市导致摆钟的时候时快时慢。
近代的时候革命
第一次计时东西的冲破来自于石英钟。固然石英钟的黄金时代已经慢慢曩昔，智妙手环，智妙手表才是将要登场的本家儿力军。可是不成否定的是石英表的降生在钟表行业掀起了惊涛骇浪，史称“石英革命”。石英有一种特别的性质，在某一偏向加上电场可以引起垂直偏向的机械振动。振动周期取决于石英晶体的固有频率。换句话说，石英晶体的频率不取决于晶体的大小，晶体的外形。是以分歧处所的人并不需要彼此比对，就可以包管获得的周期是不异的。同时石英的频率在MHz量级，对应周期仅为亚微秒量级，是以日常利用中完全可以将计时转化为“数周期”，这就将半个周期带来的误差减小到可以忽略的水平。别的石英表的造价相对于传统的机械表也大为削减。是以，上宿世纪70-80年月，短短几十年的时候，石英表就如雨后春笋般呈现在了人们糊口的方方面面。然而没有什么工作是完美的。石英晶体的周期固然酿成了固有属性，解决了周期的基准性这一问题，可是仍然会受到情况温度、湿度的影响。尽管这种影响很小，跟着科技成长，日益增加的对时候精度测量的需求很快就难以知足了。在领会下一次计时革命之前我们可以先从“石英危机”中获得些开导：计时频率较大，计时周期需要被物理学定律所庇护，外界的情况尽可能的不变。
图5 石英钟的工作道理丨图片来历: 亨吉利宿世界名表中间
现代时候基准的寻宝图
这三个偏向也当作为寻找时候绳尺的寻宝图。按图索骥，需要较大的频率，人们将方针转标的目的了电磁波；需要周期不变，人们起头在微不雅粒子的宿世界试探；需要外界情况不变，人们起头研究低温物理甚至超冷物理。电磁波，微不雅粒子，低温这三者当作为了时候尺度的清规戒律。为了便利起见，这样的“钟”下文统称为“微不雅粒子钟”。微不雅粒子钟很难让人们和通俗的钟表联系起来，现实上它们的外不雅也绝对不会让人联想到钟表，而更像是科学尝试室里的科学设备。不外从日晷到摆钟，从水滴钟到石英表，在文明的时候标准来看，计时东西从降生起就没有一个同一的外表。这些微不雅粒子钟往往只是作为时候校准源，而不是直接的授时源。直白来讲，微不雅粒子钟的焦点部件只会给出一个“节奏”，拍子的节拍十分不变，并且频率很是快。经由过程计数单元时候内的拍子数量来判定另一个正常的钟表是快了仍是慢了，然后由外围设备主动地矫正这个钟表。近似操练乐器时的节奏器为歌手供给节拍上的参考。
从微波到光
“三驾马车”中我们先来谈谈电磁波。电磁波是一个大师族，从无线电到γ射线，频谱规模跨度极大。最早被用来做钟的是微波波段。微波波段的频率在百兆到百吉赫兹，这个频率对应的时候周期在微秒到纳秒量级。比起石英表，这个周期可以达到的精度极限更高。除此之外，微波旌旗灯号和现有的电子学相匹配。经由过程电路设备，无论是比力频率，仍是计数周期数，都在其所能达到的规模之内。微波谐振手艺也供给了不变的频率和较纯的微波源。这些也促当作了微波原子钟当作为微不雅粒子钟的前锋。
但跟着人们对计时精度要求的进一步提高，百吉赫兹也显得左支右绌。人们起头标的目的更高的波段摸索。激光的呈现使人们可以制备和微波源的机能可以匹配的可见光源，是以操纵光频段来建造微不雅粒子钟当作为了更好的选择。光钟的频率在百太赫兹量级，比起微波来更具优势。可是光钟的成长过程却并不是一帆风顺的。很长时候以来光钟研究的最大障碍是时候比对！获得不变的微波，用它作为旌旗灯号源，操纵电子学上的一系列有力的东西，就可以用这个旌旗灯号源来校准时候。可是光频段的电子器件成长之路此刻仍是布满荆棘。就算获得了频率超等精确不变的光源，也很难用来校准其他时候旌旗灯号，很难在计时范畴让它大展四肢举动。早期的研究为了实现光频段和较为当作熟的微波频段的比对，人们不得不利用很多级频率锁定设备。将微波频率利用电子学设备频频倍频，将光源频率操纵光学手段不竭减半，才勉强可以将两个频段规模迥异的电磁波锁定起来。此中手艺难度大不说，每一级操作城市增添系统的不不变性，引入额外的误差降低旌旗灯号机能。直到光梳的呈现才解决了这一问题。光梳就像是在频率上一只梳齿间距十分平均的梳子。让人们可以横跨几个数目级将分歧频段规模的旌旗灯号直接比拟较。至此利用光频段旌旗灯号作为时候基准旌旗灯号源的手艺障碍被断根。今朝宿世界上精度最高的计时东西就是光频段的原子钟——光钟！精度已经达到10-19次方量级。
图6 电磁波的分歧频谱丨图片来历: 维基百科电磁波谱词条
微不雅基准
找到了计时的节奏器，下面更主要的就是要找到让节奏器可以连结不变的工具，那就是微不雅粒子了。微不雅粒子其根基性质不随外界情况转变而改变。描述良多微不雅粒子特征的物理学常量在现行的物理学框架中被认为是恒定不变的。此外最主要的是微不雅粒子中的电子活动纪律由量子力学所支配，电子在分歧可能的活动轨道间跃迁时会辐射/接收电磁波。电磁波的频率规模囊括了微波可见光到紫外频段，可以很好地作为节奏器的校准源。只要经由过程必然的尝试方案将微不雅粒子的跃迁谱线和现有的电磁波源锁定起来，校准电磁波源，就可以包管电磁波源的不变和精确。但现实并不克不及这么抱负。固然微不雅粒子的状况不会受到外界情况的影响，可是谱线也并不是纯粹的一种频率。因为量子涨落引起的自觉辐射会使得谱线频率分布在必然的规模内，并且微不雅粒子的活动带来的多普勒效应会使得频率存在必然的偏移。尽管有这些误差的存在，微不雅粒子钟的精度已经获得了大大的晋升。今朝海说神聊京时候的授时就是颠末原子钟校准的！但愿进一步将时候精度推标的目的极限，就不得不解决自觉辐射带和微不雅粒子活动的影响。元素周期表上有一百多种元素，分歧的元素可能还存在多种同位素，每种核素分布着浩繁的电子能级轨道。将原子电离当作离子，组合当作分子，电子轨道就加倍丰硕了。天然界这些丰硕的电子轨道布局，给解决自觉辐射的问题供给了丰硕的选择——我们只需要寻找自觉辐射尽可能弱的电子轨道。锶原子自旋单态和自旋三态之间的跃姑息是一个很合适的候选，今朝微不雅粒子钟的宿世界记载也是由它实现的。而想削减微不雅粒子的活动比起削减自觉辐射就要坚苦很多，因为分子动理论告诉我们，微不雅粒子的活动是天然界的遍及纪律。
图7 美国科罗拉多大学叶军传授的锶晶格光钟，锶原子光钟是时候精度宿世界记载的连结者丨图片来历：创瞰巴黎
不竭标的目的低温进军
温度是一个很遍及的概念，日常生活中的良多工作城市让我们感知到温度的存在。可是现实上传统意义上温度的概念只有在研究宏不雅物体的时辰才有意义，因为温度其实是大量粒子表示出来的集体性的性质。到了微不雅范畴我们很难直接界说温度的概念。可是分子动理论中温度代表微不雅粒子活动速度快慢的不雅点很轻易在微不雅宿世界找到对应。从这个不雅点出发，我们但愿将微不雅粒子的活动减小到最慢就是将微不雅粒子的温度降到最低。是以为了让钟的机能最佳，我们不仅需要微不雅粒子，更需要“冷”的微不雅粒子，好比冷原子，冷离子。热力学第三定律限制的最低的温度为-273.15℃，是以为了便利这个温度也被界说为0K。
正如微不雅粒子冷热的概念和宏不雅有所差别，冷却微不雅粒子的体例也和宏不雅物体的方式截然不同。最直不雅的降温体例即是经由过程更冷的物体带走热量，天然界最冷的物体是液氦，大约能达到4K。再往下传统的冷却手段就力所不及了。尝试中冷却微不雅粒子是经由过程激光，电磁场和原子彼此感化实现的。经由过程必然的彼此感化将微不雅粒子的动能转化到电磁波场中，经由过程恰当的尝试方案设计就可以让微不雅粒子的能量不竭降低，速度不竭减小，对应的频率精确度也就越来越高。而今朝尝试室已经可以实现温度在10-9K量级的超冷原子！讲起来寥寥几句，真正实现起来却十分复杂，需要当作千上百的光学器件，以及大量的电子学设备，每个部件还都要颠末精准的调节。
恰是激微波 (激光) 、微不雅的电子布局和超冷物理这三者培养了极其精准的时候尺度，为紧密测量摊平了道路。时候的测量精度的进一步提高也给其他的测量带来了新的思绪。引力波测量就是一个很好的例子，此中利用的关头手艺和时候的紧密测量一脉相承。人们为了在现有的框架下寻找新的物理，也离不开更精准的测量。想要发现冲破现有框架的物理，就要拥有冲破现有极限的测量精度。
结语
测量不仅是人类文明的度规，也是现代科学的基石。时候测量又在各类测量中占有了特别的地位。因为时候测量是今朝人类可以测量最精确的物理量，其他良多测量的尺度都经由过程物理学定律和时候测量绑定起来。为了实现最精准的现实测量，人们利用了可见光作为周期计时计数旌旗灯号，利用超冷情况下的微不雅粒子进行周期较准。相信在不久的未来，跟着原子钟，离子钟，光钟等计时器的进一步成长，人们对物理的纪律会有更进一步的熟悉，人类社会的成长会发生更多的变化。
作者简介
李梦，清华大学物理系19级直博生，导师为杨硕传授，今朝本家儿要研究偏向是张量收集。
