上下四方為宇，古往今來(lái)為宙。
宇宙中一切物質(zhì)的起源和消亡，世間一切事物的產(chǎn)生和終結(jié)，地球上一切生命的誕生和滅亡，所有的這些與時(shí)間緊密相關(guān)。日月更替，斗轉(zhuǎn)星移，花開(kāi)花落，人類數(shù)千年的文明在時(shí)間的長(zhǎng)河中緩緩流淌，時(shí)間見(jiàn)證了這一切的變化，而日益先進(jìn)的人類文明使得我們能夠更準(zhǔn)確的去感知時(shí)間。早在人類文明誕生之初，人類便開(kāi)始通過(guò)對(duì)時(shí)間的計(jì)量來(lái)描述萬(wàn)事萬(wàn)物的變化，并由此誕生了一系列精度越來(lái)越高的計(jì)時(shí)器具。
時(shí)間的計(jì)量發(fā)展歷程
遠(yuǎn)古時(shí)期，人們以太陽(yáng)的東升西落作為時(shí)間尺度，因此便有“日出而作，日落而息”的人類生活；公元前二世紀(jì)，日晷出現(xiàn)，提高了時(shí)間的計(jì)量精度；公元一千多年前，我國(guó)北宋時(shí)期的能工巧匠們?cè)O(shè)計(jì)出水鐘；六百多年前出現(xiàn)了機(jī)械鐘；十七世紀(jì)，單擺被用于機(jī)械鐘的設(shè)計(jì)，使其計(jì)時(shí)精度提高了近百倍；二十世紀(jì)三十年代，石英鐘誕生，計(jì)時(shí)精度進(jìn)一步被提高。
這些計(jì)時(shí)器具即我們概念中的“時(shí)鐘”，細(xì)數(shù)這些鐘的發(fā)展，最古老的鐘追溯至太陽(yáng)鐘，例如圭表、日晷。有據(jù)可查的太陽(yáng)鐘始于公元前2357-2258年的堯帝時(shí)期?！吨芏Y-地官-大司徒》中有“以土圭之法測(cè)土深，正日景（影），以求地中”?！洞汗?典瑞》中也提到了“土圭以致四時(shí)日月，封國(guó)則以土地”。
之后出現(xiàn)水鐘，它屬于流體鐘的一種，除水鐘之外，流體鐘還包括沙鐘。水鐘和沙鐘都是使用一定數(shù)量的流體，通過(guò)測(cè)量流體在特定方式下流動(dòng)所需的時(shí)間來(lái)表示固定的時(shí)間間隔，這類不依賴于天文現(xiàn)象的“漏刻”計(jì)時(shí)儀器至少有4000年的歷史了。我國(guó)最早的機(jī)械鐘也出現(xiàn)在北宋時(shí)期，而歐洲的機(jī)械鐘出現(xiàn)于十三世紀(jì)，最早傳入我國(guó)的機(jī)械鐘在明朝萬(wàn)歷年間，被獻(xiàn)于萬(wàn)歷皇帝。
隨著社會(huì)發(fā)展的需求，對(duì)時(shí)鐘精度的要求越來(lái)越高，于是石英鐘應(yīng)運(yùn)而生，它是通過(guò)石英鐘內(nèi)部穩(wěn)定的石英振蕩器來(lái)計(jì)時(shí)的。隨著科技發(fā)展的要求，以及人類對(duì)精密測(cè)量的執(zhí)著追求，石英鐘逐漸不能滿足要求，逐漸被精度高于它的鐘所代替，例如原子鐘。
原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)。由于這種輻射電磁波周期非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。最初并且最常用于原子鐘研制的元素有氫、銫、銣等堿金屬。原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬(wàn)年才誤差1秒。1967年，銫原子鐘被用來(lái)進(jìn)行“秒”定義，即為無(wú)干擾的133Cs原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級(jí)之間微波頻率躍遷周期的9，192，631，770倍，也就是我們通常所說(shuō)的國(guó)際原子時(shí)。從此開(kāi)啟了原子“秒”的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代，直到現(xiàn)在的“秒”定義仍由銫原子噴泉鐘保持。
1955年首次出現(xiàn)原子鐘
NIST的銫噴泉基準(zhǔn)鐘
脈沖星是另外一種獨(dú)特的時(shí)間計(jì)量器具，它是一種高速旋轉(zhuǎn)的致密中子星，自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)脈沖星的計(jì)時(shí)觀測(cè)，可以建立高精度的時(shí)空參考架。利用脈沖星鐘建立和保持的綜合脈沖星時(shí)系統(tǒng)，有可能比目前的原子時(shí)系統(tǒng)具有更高的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，并能獨(dú)立地檢測(cè)原子時(shí)的系統(tǒng)誤差。這種獨(dú)特的時(shí)間計(jì)量方式正在被科學(xué)家們研究中。
對(duì)于原子鐘，科學(xué)家不遺余力地進(jìn)行探索并取得了巨大的研究成果，他們研究出了比現(xiàn)行的基準(zhǔn)鐘——銫原子鐘精度更高的時(shí)鐘，即光鐘，銫鐘作為基準(zhǔn)鐘的地位受到嚴(yán)重沖擊。光頻標(biāo)的研究得到了大力發(fā)展，這種利用以原子的光學(xué)波段共振頻率標(biāo)準(zhǔn)作為時(shí)間頻率基準(zhǔn)的鐘——光學(xué)原子鐘，將人類對(duì)時(shí)間、頻率的測(cè)量精度又大大的向前提升了一步！
因?yàn)樵隅娫跍y(cè)量時(shí)間頻率時(shí)，它的“尺子”就是原子共振時(shí)發(fā)出的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越短意味著“尺子”的刻度越精細(xì)，測(cè)量也就越精確。光鐘里原子共振的波長(zhǎng)要比微波原子鐘里的波長(zhǎng)短5個(gè)量級(jí)！目前最新光鐘的測(cè)量精度已經(jīng)比微波原子鐘高出了100倍還多！隨著對(duì)光鐘研究的深入，人們已廣泛預(yù)言在本世紀(jì)的第二個(gè)十年內(nèi)光鐘將被用于作為新的時(shí)間的定義。
相關(guān)進(jìn)展：
窄帶激光器讓原子鐘更進(jìn)一步
原子鐘每3億年會(huì)有1秒的誤差，即使這樣的準(zhǔn)確率，也無(wú)法滿足尼爾斯玻爾研究所的研究人員。為了更高的準(zhǔn)確性，他們發(fā)明了一種新方法來(lái)壓縮原子鐘內(nèi)紅光激光器的線寬。該激光器激發(fā)的電子，相當(dāng)于鐘擺。
一般情況下，穩(wěn)定激光器的諧振腔會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，由于構(gòu)成鏡組的原子產(chǎn)生振動(dòng)。激光發(fā)出后經(jīng)過(guò)一個(gè)有兩面鏡子組成的諧振腔，過(guò)濾掉其中不需要的光束。包含有超冷原子的真空腔放置在兩面鏡子之間，起到進(jìn)一步濾波的作用，最后發(fā)現(xiàn)，得到的激光要比僅有諧振腔時(shí)要穩(wěn)定的多。
研究人員在鏡組間放置一種新介質(zhì)，但不是嘗試著去進(jìn)一步穩(wěn)定鏡組。他們選擇超冷鍶，因?yàn)檫@種化合物是一種要求非常“苛刻”的元素，需要非常特定的波長(zhǎng)以便與光進(jìn)行反應(yīng)。這種方法能夠?qū)е碌陀?00mHz的激光穩(wěn)定性以及超輻射的激光源。
“這種方法簡(jiǎn)單高效，得到的激光光束也更加精確，穩(wěn)定，噪聲減少達(dá)100倍。”
原子鐘是由藍(lán)光激光器冷卻到接近絕對(duì)零度的鍶構(gòu)成。紅光激光器激發(fā)的電子從一個(gè)軌道跳變到其他軌道后再弛豫回基態(tài)的速度，決定了原子鐘“滴答”的速率。
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