升國旗一秒不差，憑的啥？

在心理認知和群體行為條理上，時候大要是一個最沒有尺度的工具了（好比“頓時到”“等一下”這些日常用語所表現出來的不靠譜），而在計量條理上，時候的尺度在各類物理量傍邊可算是最切確的了。這個有趣的現象反映的大要是時候的商定性差別。跟著手藝的高速成長，現代社會在慢慢辭別“疇前慢”，這種商定差別在不知不覺縮小。人類對于準時性的要求越來越高，現代時候計量也已從宏不雅的“不雅天授時”走標的目的依靠于微不雅層面的原子過程。時候認知與人類成長的伴生問題過于復雜，我們暫且擱下 “時候都去哪了”的問題，先看看時候尺度從何而來。我們經常說的海說神聊京時候又是哪兒的時候？

撰文 | 張曉斐（中國科學院國度授時中間研究員，中國科學院大學天文與空間科學學院崗亭傳授）

昨日上映的國慶獻禮片《我和我的故國》講述了七個故事，此中《回歸》還原了1997年7月1日噴鼻港回歸的盛況。對于時任交際部禮賓司副司長、交代典禮總批示安文彬來說，他最主要的使命即是包管五星紅旗在7月1日0時0分0秒準時升起，一秒不差，讓噴鼻港的本家兒權準時回歸故國。

《我和我的故國》劇照

那時，對于7月1日0時0分0秒這個時刻，是該英國降旗仍是中國升旗，中英兩邊進行了16次交際構和。這一秒代表的是中國對噴鼻港回歸的底線，必需一秒都不克不及差，而真正做到“一秒不差”就要依靠精準的計時和授時。要保障精準計時和授時，則不得不說中國時候計量成長中最主要的一環——原子鐘的成長，其對“一秒”的精度也有著同樣的執著。

時候事實是什么？——時候的界說計量

說起時候，每小我城市說我知道。可是，時候事實是什么，卻老是很難說清晰。其實，自從地球上呈現人類的那天起，時候的測量一向是人類日常糊口必不成少的一項工作。時候作為根基物理量之一，是今朝測量精度最高也是人類糊口應用最普遍的物理量。時候的單元是秒，最早的時候是以地球自轉作為尺度，稱為宿世界時。它對秒的界說是指一個平太陽日的1/86400為1秒。

后來的研究發現，地球自轉速度并不平均，之后顛末持久不雅測后，人們采用精確度更高的歷書時對時候單元“秒”進行界說。這種基于天體測量對時候進行界說的天文時候對人類汗青的成長作出了龐大的進獻。然而天體的活動速度并不是完全平均的，其周期也并非完全不變，是以對測量的精度有很大的限制，并且不雅測時候長，不克不及很好地知足現代科學手藝高速成長的需要。

若何切確量出一秒？——原子時的呈現

跟著量子物理學（激光冷卻原子手藝）和激光光譜學的敏捷成長，人們起頭熟悉到原子或分子振蕩的周期很是不變，其精度遠遠高于基于天體活動作為尺度的宿世界時和歷書時，用其來界說秒可以使秒的精度獲得極大地提高。操縱原子振蕩頻率確定的時候尺度，我們一般稱之為原子時[1]。1967年，第十三屆國際計量大會經由過程抉擇，把本來基于天體宏不雅周期活動的時候單元“秒” 長界說，改為基于原子內部的微不雅活動，將 “秒” 長界說為銫（133Cs）(133為左上角標)原子基態的兩個超邃密布局子能級間躍遷電磁輻射周期的 9192631770 倍所持續的時候。

而 “秒” 長界說的復現和時候頻率的切確測量則需要依靠量子頻標來實現。量子頻標又稱“原子頻標”，簡單地講，原子頻標是應用原子或離子內部能級間的躍遷頻率作為參考，鎖心猿意馬晶體振器（簡稱“晶振”）或激光器頻率，從而輸出尺度頻率旌旗燈號的旌旗燈號發生器。在計量學中，我們稱其為頻率尺度器具，它是今世第一個基于量子力學道理做當作的計量器具。因為物體活動周期與頻率當作反比，所以原子頻標凡是又叫原子鐘。現實上，原子鐘應該是可以或許發生時候旌旗燈號（如秒脈沖）并有計數裝配的原子頻標。近三十多年來，跟著新物理理論和新手藝當作果的應用，人們研制出了分歧類型的新型原子鐘，它們已經或即將應用于衛星導航定位系統[2]。

原子鐘也有多種，若何尋找最精準的原子鐘？

銫（Cs）原子具有的一些屬性使其當作為基于原子共振躍遷的頻率尺度，在20宿世紀50年月早期，宿世界上很多嘗試室已經起頭了對基于銫原子的時候頻率尺度的研制。銫原子的原子質量相對較重，是以，它們的移動速度相對較慢，在室溫下約為每秒130米，這就使得銫原子與微波場的感化時候較長。

此外，銫也有相對較高的超邃密躍遷頻率（9.2 GHz），例如銣和氫原子的超邃密躍遷頻率別離為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英國國度物理嘗試室 (NPL) 研制出了第一臺銫原子鐘，獲得1×10^-9的禁絕確度[3]。由銫供給的高精度和精確度時候頻率尺度導致了對時候單元 “秒” 的新界說的發生。顛末60余年的成長，今朝的銫原子鐘的精確度已經達到了10^-16，其精度接近1億年不差一秒[3]。

跟著半導體激光手藝、電磁囚禁手藝、激光冷卻和陷俘原子手藝等新手藝的成長，以及新物理道理的應用，新型原子鐘手藝的成長十分敏捷。一方面人們應用這些新手藝摸索機能更高的新尺度，另一方面盡力追求小型化的新路子。這些新物理道理和新手藝的當作功應用，催生了以超冷原子為工作物質的原子噴泉、離子儲存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鐘，使原子鐘的不變度和精確度提高了1～2個數目級，甚至達到10^-18。20宿世紀90年月后，尤其是比來幾年，這些新手藝被引進到我國，而且在國內敏捷成長，新型原子鐘的研究已經蓬勃成長[4]。

1、如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鐘

時候頻率基準鐘裝配是運行在必然的嘗試室情況，具有自我評估能力的最高時候頻率尺度裝配，是時候頻率計量單元傳遞的源。近十幾年來，作為列國的時候頻率基準，傳統的磁選態和光抽運大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鐘代替。

原子噴泉的根基設法如圖 1 所示，我們搭建一個豎立的真空裝配，真空中充有工作介質（銣或銫）的飽和蒸氣，操縱激光方式俘獲原子，并將其冷卻到很是低的溫度，將原子上拋。原子在上拋和下落的過程中只受到重力的感化，它兩次穿過微波腔，與時候上的分手振蕩場感化，發生鐘躍遷，然后探測分歧能級的原子。最后獲得與 Ramsey 鐘躍遷響應的熒光旌旗燈號。應用該熒光旌旗燈號即可完當作對適用頻標的頻率鎖心猿意馬。我國先后從事冷原子噴泉鐘研究的有海說神聊京大學、中國計量科學研究院、中國科學院上海光機所和中國科學院國度授時中間。

圖1 原子噴泉概念示意圖

2、精確度更高的冷原子光鐘

原子鐘的精確度和不變度均以其所應用的量子躍遷譜線頻率的相對值來暗示。與微波旌旗燈號比擬，光旌旗燈號的頻率高，而且有一些原子或離子的光學頻率躍遷譜線很窄，其響應的Q值（譜線質量因子）高達10^18。操縱這些譜線實現的頻標，即光頻標，具有極高的頻率不變度，其精確度和不變度將優于10^-18。

近些年來，原子冷卻手藝，尤其是光晶格原子囚禁手藝的飛速成長，使基于冷原子樣品而實現的光頻標擁有高精確度的潛力，而且具有高信噪比和低量子投射噪聲。宿世界發財國度紛紛開展了基于冷原子的光頻標研制。冷原子光鐘研究進展很是敏捷，一些嘗試室接踵報道的數據表白，其研究的冷原子光鐘的不變度和精確度機能已超越了銫原子噴泉鐘[2]。

今朝，鍶光鐘的不變度和精確度達到10^-19量級，比噴泉鐘高4-5個量級。

圖2 光頻標本家兒要構件圖

激光冷卻的原子（離子)，用穩頻激光器的脈沖去探測，激勵被冷卻的原子發生 “鐘” 躍遷。用聲光調制器 (AOM) 來調節探測激光的頻率，使它接近原子的共振頻率，原子的躍遷信息由光電倍增管收集原子熒光來進行檢測。對探測激光頻率進行調制，原子躍遷發生的旌旗燈號作參考經由過程 AOM 和伺服系統，將探測激光頻率鎖到原子的共振中間，組成光頻標。激光線寬由很好隔離的光腔壓縮，并被不變到原子躍遷中間。光梳把激光的頻率切確地傳遞到其他光頻和微波規模。

在我國，華東師范大學與中國科學院武漢物數所開展了鐿原子光鐘的研究，中國計量科學研究院和中科院國度授時中間正在開展鍶原子光鐘的研究（圖3）[4]。

圖3 國度授時中間鍶原子光鐘嘗試系統

每一臺鐘都有本身的時候，全宿世界的時候若何同一？

每一臺原子鐘城市供給一個精確的時候，國際原子時是經由過程全球70多個嘗試室的400多臺氫、銫商品原子鐘平均后，再由更精確的銫、銣噴泉鐘校準而獲得的。國際原子時在1958年1月1日0時與天文時對齊，它與天文時中的宿世界時以 “閏秒” 的形式相連系，發生 “協調宿世界時（UTC）”，并供全宿世界利用。宿世界上的每個時候嘗試室都經由過程地球同步衛星雙標的目的時候比對，或全球衛星導航系統 (GNSS) 時候比對的體例與國際尺度時候對齊，當所有守時嘗試室的時候都與國際尺度時候同步后，全宿世界的時候天然也就一致了。

海說神聊京時候事實是哪的時候？

我國幅員廣寬，橫跨5個時區，為了便利人們的日常糊口和時候辦理，需要界說一個全國（包羅噴鼻港、澳門、臺灣）人平易近通用的尺度時候！清朝光緒28年（1902年），中國海關擬定海岸時，將東經120度的時刻作為尺度時候；平易近國28年（1939年）3月9日，中華平易近國內政部召集尺度時候會議，確認將東經120度的時候作為 “華夏尺度時候”；在中華人平易近共和國當作立（1949年）之后，將 “華夏尺度時候” 改稱為 “海說神聊京時候”！

也就是說，“海說神聊京時候”是東經120度的時候，而海說神聊京位于東經116.4度，是以，海說神聊京本地時候與海說神聊京時候相差約14分半鐘；而杭州地處東經120.2度，是以，杭州當地的時候與海說神聊京時候最接近。我國的首都是海說神聊京，從某種意義上來說，海說神聊京就是中國的象征，是以將我國的尺度時候稱之為 “海說神聊京時候”。海說神聊京時候是由位于陜西省西安市臨潼區的中國科學院國度授時中間負責發生、連結和發播的（圖4-5）。

圖4 中國科學院國度授時中間

圖5 我國時候基準連結系統

將海說神聊京時候即國度尺度時候發播給大師，也是中國科學院國度授時中間的一大本能機能——授時。現現在的授時手段是多樣化的，好比長短波授時系統、低頻時碼授時、互聯網授時、衛星單標的目的授時、衛星雙標的目的時候傳遞、光纖傳遞等，授時方式分歧，授時精度也有所分歧，用戶可以按照本身的需求選擇分歧的授時（圖6）。

圖6 各類授時方式的比力

各類時候用戶經由過程長短波、低頻時碼和衛星導航等按時領受機獲得時候旌旗燈號后，將其普遍地應用于各行各業。例如，

交通部分需要切確的時候來進行調劑

通信基站間需要切確的時候來維持通信電路時序

衛星的發射需要切確的時候來確捍衛星正常入軌

供電站需要精確的時候來監測其故障點

金融機構之間需要精確的時候來完當作平安買賣

我們和洽伴侶約會時，大多以分來確按時間就可以了，而此刻各行各業對時候精度提出了更高要求，需要達到秒、毫秒、微秒、納秒，甚至是皮秒量級[6]。

至此，相信大師對時候，原子鐘和海說神聊京時候已經有了總體上的領會，對它們主要性以及彼此之間的關系也不再目生了。最后，接待列位小伙伴參不雅位于西安市臨潼區的中國科學院國度授時中間（“首批中國十大科技旅游基地”之一），走進時候科學館（我國獨一的時候本家兒題科學館，縱覽古今中外授時儀器和授時手藝成長），感觸感染“大科學裝配”和“海說神聊京時候”的脈搏。

參考文獻

[1] 劉輝，應用于鍶光鐘的激光手藝及光譜探測研究 [D]，中國科學院研究生院(國度授時中間), 2016.

[2] 張首剛，新型原子鐘成長近況，時候頻率學報，2009，32(2)：81-9．

[3] 郭陽，鍶原子光晶格鐘自旋極化譜線的探測 [M] ，中國科學院研究生院(國度授時中間), 2018.

[4] 翟造當作，楊佩紅，新型原子鐘及其在我國的成長，激光與光電子學進展，p21-31，2009.03

[5] 武文俊，“你知道為了確按時間，我們花了幾多“時候”嗎？”，中國科學院國度授時中間微信公家號

[6] 劉瓊瑤，“關于海說神聊京時候，這里絕對有你不知道的！”，中國科學院國度授時中間微信公家號

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