科学网—20世纪以来的计时革命
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2026-4-6 14:22
| 系统分类: 科研笔记
20世纪以来的计时革命
张武昌2026年4月6日星期一
大航海时代以来，对精度准确测定的需求导致了高精度机械表的发明和制造与标准时间的确定，到20世纪初，航海钟已经广泛使用并形成了本初子午线、格林威治标准时间等全球时间标准。
然而计时工具并没有停滞不前，20世纪以来，一系列新技术的发展产生了精度更高的计时工具，并推动了时间单位和标准时间的重新定义。
20世纪以来，计时工具的第一个重要改变是石英钟的发明。
（一）石英钟的发明
1880 年，居里兄弟发现压电效应（晶体受压发电）和逆压电效应（电流导致晶体形变）。居里和居里夫人使用压电称测量了放射性，并获诺贝尔奖。
1921 年，美国卫斯理大学的物理学家沃尔特 ·G· 卡迪首次利用石英晶体的压电效应，制造出了世界上第一个 晶体振荡器 。在石英晶体上施加交变电场，则晶体晶格将产生机械振动，当外加电场的频率和晶体的固有振荡频率一致时，则出现晶体的谐振。由于石英晶体在压力下产出的电场强度很小，这样仅需很弱的外加电场即可产生形变，这一特性使压电石英晶体很容易在外加交变电场激励下产生谐振。其振荡能量损耗小，振荡频率极稳定。
1925 年 Warren Marrison (1896-1980) 来到贝尔实验室工作，研发无线电传播的频率标准。他发现石英的振动可以作为节拍器，计数这个节拍就可以计时。但是当时使用的石英振动频率非常快，很难计数和显示。 1927 年，他把石英的振动频率降下来，然后用一个同步马达来测量频率，同时，相反的思路是，他创造了世界上第一台石英钟。
1928 年，他制作了改进版本，每日误差仅有千分之一秒，比当时最精密的 ` 摆钟 ` 准确数百倍。石英钟石英晶体谐振器（ 32.768KHz ）每秒需要振荡 32768 （ 2^15 ）次。如果晶体谐振器的精度为 ±10ppm ，每天的误差就是 0.864 秒，而每个月时间误差为 25.92 秒，不到半分钟。
1930 发表了论文 The Crystal Clock, W.A. Marrison, National Academy of Sciences Proc., v. 16, pp. 496-507, July, 1930.
但是这台设备需要占据一整个房间，不能被公众使用。在最初的几十年里，石英钟因其巨大的体积和高昂的成本，仍是大型科研机构和电信部门的专属，用于校准广播频率和进行科学研究。 1940 年代，世界计时实验室纷纷使用石英钟取代机械表作为标准计时装置。到 70 年代，石英表逐渐成为生活中的日常用品。
（二）分子束磁共振的发明
1858 年，德国科学家普吕克把一个玻璃试管中的空气抽得非常稀薄后，再在试管两头装上电极板；当极板上加入几千伏的电压时，阴极对面的试管壁上闪烁着绿色的辉光。
1876 年冬，德国科学家戈尔兹坦认真研究普吕克的实验后，提出 “ 玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的 ” 的观点，他把这种射线命名为阴极射线，那个实验装置就被称为阴极射线管。
阴极射线管最初只有真空管内的一个发射源，在探测阴极射线的过程中，在射线路径的周边（真空管外侧）加设了电场和磁场，在路径的终端加设了探测器，最终变成了一个科学实验装置。
1897 年，汤姆逊 Joseph Thomson 将一块涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线所经过的路径上，利用硫化锌闪光显示电子的径迹。 1897 年 9 月下旬，汤姆逊在英国皇家学会的讲台上，宣读了《阴极射线》的实验报告。根据物理学家斯托尼的提议，这个粒子叫做电子 electron 。物理学正式 跨进了微观物理的时代。汤姆逊的实验原理使得 阴极射线管最终演变了黑白电视的荧光屏。
由阴极射线管分支出了两个重大的科研仪器，一个是粒子加速器，发射源发出的射线是微观粒子，这些微观粒子除了电子之外，还有质子等其他微观粒子，在电磁力的作用下加速，最终碰撞到靶标上（单撞机），单撞击在制造新元素的科学方向（核与核寻）是主要装置，当两束反向粒子对撞时，这个装置叫对撞机。对撞机在发现基本粒子方面是主要装置。
如果发射源发出的是分子（或单原子分子），这个装置就叫做分子束装置，是研究单分子（单原子）性质的重要装置。与对撞机的强大名声相比，分子束装置的名气小得多。但是如果不了解分子束装置，就看不懂由此得来的许多的科学名词，被各种花里胡哨的科学词汇搞蒙。
分子束装置是指在高真空条件下，定向运动的分子流，英文词为 molecular beam 。在高真空环境中，将特定物质注入加热炉气化，让气体分子从炉壁极窄狭缝高速溢出，再经两道平行准直器校准，形成定向匀速运动的分子射线即分子束 molecular beam ，如果其路径上没有磁场电场，分子束会直线打到靶标上，形成圆形的落点区域。如果在其路径上加设磁场电场，分子的磁矩电矩等性质与电场、磁场相互作用，分子束会改变方向，靶标上的落点就会改变形状，根据粒子速度、磁场、电场和落点形状可以计算粒子的磁矩、角动量等物理属性。
1911 年法国物理学家杜诺依尔（L. Dunoyer）第一次设计并制成了 分子束装置，如下图所示，长约 20 cm 的真空管，内部分成三个室。源室内放有金属钠，加热后形成钠蒸气，穿过第一个管口进入准直室，再穿过第二个管口进入观察室，最后沉积在器壁上。只有沿直线穿过两个管口能够到达的面上才能有钠原子沉积，可见原子束是直线前进的。上述装置基本上体现了现代分子束实验的三个要素，即：分子束源、准直孔道及检测手段。
杜诺依尔分子束实验
1916 年，索末菲为了描述氢原子在外磁场和外电场作用下的行为，将空间量子化的概念引入量子理论。1920 年，斯特恩在法兰克福大学工作期间，开始进行分子束实验。
1921 年他刚刚完成用银原子束检验麦克斯韦分子速度分布的实验，发现分子束方法是一种认识自由粒子性质的有效手段，于是就建议用银原子束通过非均匀磁场，从原子束的偏转找寻空间量子化的证据。
斯特恩和盖拉赫 （ W. Gerlach ）一起克服重重困难，改进实验条件，提高实验精度， 1922 年完成了著名的斯特恩 - 盖拉赫实验，实验原理如下图，在真空中加热银产生自由银原子（单个分布），经过准直小孔形成束流，经过磁场后，银原子由于外层电子的两种自旋方向的差异分为两束。
实验的困难主要来自真空系统，因为原子束实验对真空的要求相当特殊，为了获得自由飞行的原子束，要在真空中加热，并保持高度真空，这本身就是相互矛盾的，再有，原子束装置的一头是高温，另一头却要进行冷却，以便让原子束凝聚在接收板上。这样一来，用于真空系统的玻璃器皿极易炸裂。一旦炸裂，则前功尽弃。
斯特恩 - 盖拉赫实验装置实物
所幸盖拉赫以高度负责的精神投入实验工作，实验人员日夜守候在真空系统前，每次取样，一般要经过 4 ~ 8 小时的溅射，才能有足够的银原子积沉。
斯特恩 - 盖拉赫实验图像（左为未加磁场的原子束图像，右为加磁场的原子束图像）
1923 年，斯特恩受邀到汉堡大学任教，建立首个分子束研究中心。从此分子束成为物理学和化学研究的重要研究手段，成就了无数的诺贝尔奖（物理学和化学奖），与计时装置有关的是分子束研究的一个分支：分子束磁共振。
在 1936 年，荷兰物理学家哥特（ C.J. Gorter ）进行过一个原子核磁共振吸收实验，试图观测核磁矩对电磁波的吸收，从而研究弛豫过程。他使用量热器测量氟化锂晶体中的 7Li 核以及钾钒中的 1H 核对电磁波的共振吸收，但是没有取得成功。实验的失败并不是由于物理思想不正确，也不是仪器灵敏度不够，主要是由于所选的样品太纯，弛豫时间过长的缘故。拉比从哥特的实验得到重要启示，创立了分子束磁共振方法。
1938 年，拉比从哥特的实验得到重要启示，成功制作了分子束共振装置，创立了分子束磁共振方法。 分子束磁共振法 的实验原理下图所示。由炉子蒸发产生分子束（或原子束），经过磁场分成高能和低能原子两束，低能量原子经过电磁波（频率为9.192632 GHz）辐射腔室，由于核磁共振，这些低能量原子吸收电磁辐射，变为高能量原子，
分子束磁共振实验原理
1944 年诺贝尔物理学奖授予美国纽约州纽约市哥伦比亚大学的拉比（ Isidor Isaac Rabi ， 1898—1988 ），以表彰他用共振方法记录了原子核的磁特性。 分子束磁共振方法 后来推广并取得了广 泛的应用，例如在原子钟、核磁共振以至于微波激射器和激光器中，都用到了这种方法。
（三）石英表和分子束磁共振的结合
20 世纪初发展出来的基于晶振(晶体振荡器)的电子钟表的振荡频率为kHz到几百MHz，精度更加准确。日常使用的 石英钟石英晶体谐振器（32.768KHz）每秒需要振荡32768次（10的4次方）。也就是说可以将1秒分为32768拍。 但晶振的振荡频率受外界环境影响很大，稳定度比较差。需要一个更加稳定的节拍器对这个频率进行校正。
由于从低能分子（原子）吸收电磁波转化为高能分子（原子）的电磁波频率非常精准，所以可以在腔室的末端再加上一个磁场，从腔室中出来的原子经过偏转磁场后改变方向，在末端用探测器监测，当探测器能捕捉到铯原子信号时，说明电磁波的频率正常。
如果电磁波频率不正常，发生了漂移，低能分子（原子）就不能发生核磁共振变成高能量分子（原子），检测器捕捉不到铯原子的信号，就反馈给石英振荡器调整频率。这就是分子束磁共振稳定石英表精度的原理。
（五） 氨钟是最早的一类 原子钟 （分子钟）
1948 年到 1949 年， 美国国家标准局 研制成功世界上第一台完整的 “ 原子钟 ” ，这台原子钟主要包括一个 石英晶体振荡器 和一根充满氨气的波导管。这根管子盘绕钟面，放在仪器顶部。用氨分子的吸收谱线来稳定石英振荡器的频率，并分频后驱动 50Hz 的钟。
1953 年美国 哥伦比亚大学 的 汤斯 （ C.H.Townes ）研制成功第一台氨钟， 频率稳定度 值为 10 -11 数量级，相当于在几千年的时间内误差小于 1 秒。这一成功，诞生了 量子电子学 ，并使汤 斯获得了 诺贝尔奖 ，同时也导致了 1960 年 激光 的获得。我国科学家王天眷参加了第一台氨钟的研制工作。 1964 年 3 月 19 日，上海天文台研制成我国第一台氨分子振荡器。
1954 年，美国哥伦比亚大学的汤斯使来自氨分子源的氨分子束经过加有非均匀电场的焦聚器，氨分子束发生偏转，分离出高能级的氨分子，然后把这些分子引入谐振腔内发生受激辐射，产生电磁波激射（发射）和放大，其激射频率仅仅取决氨分子能级类型和本身的特性，因而具有极高的稳定度，其值为 10-11 ，这相当于在数百年内误差仅为 1 秒，是一个理想的时间标准，即氨分子钟，又因为它的激射波长为 1.25 厘米，落在微波段之内，所以也称为激波激射器。氨钟（ ammonia clock ），又称氨分子钟，氨钟的主体是氨分子振荡器，它又叫氨脉泽（ MASER ），是受激辐射放大（ Microwave Amplication by Stimulated Emission of Radiation ）头一个字母拼成的新名词 [1] 。
氨分子钟的成功，为以后更准确和更稳定的原子钟，如氢原子钟、铯原子钟的出现奠定了基础。
（六）铯原子钟
早在 1940 年，拉比就预料到铯 133 的超精细结构有可能作为频率测量的基准。 1949 年， Ramsey 发明了新的共振装置，大大减少了设备的体积。（ 1989 年，诺贝尔物理学奖的一半授予美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的拉姆齐 Norman F. Ramsey ，（ 1915—2011 ），以表彰他发明了分离振荡场方法及用之于原子氢微波激射器及其他原子钟。
拉姆齐发明的双振荡场探头
1952, Sherwood, Lyons, McCracken and Kusch 等人提出了研制原子钟的可能性，并给出了设计草图。 1955 年，英国皇家物理实验室Essen and Parry用铯元素唯一的稳定同位素铯-133原子，成功研制出第一台铯束原子钟，开创了实用型原子钟的新纪元。三年后他们发表铯 133 原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为 9 192.631 770 MHz。这一频率后来在 1967 年被第十三届国际计量大会正式用来定义时间的基准。
英国国家实验室的第一台铯原子钟
铯（原子序数55）的天然核素是稳定的Cs-133，只有一种人工放射性同位素Cs-137，为核电站产物。熔点28.5 ℃，铯最终被基尔霍夫教授和本生于1860年在德国的海德堡被发现。他们检测了来自Durkheim的矿物质水，并且在光谱中观察到了他们不能认出的线，这意味着一个新的元素的出现。他们从这个来源生产出了约7克氯化铯，但没能生产出这种新金属自身的样本。第一个成功制出金属铯的这个荣誉归属于波恩大学的考尔·希欧多尔·赛特伯格（Carl Theodor Setterberg）教授，他由电解熔融的氰化铯（CsCN）获取了它。 命名是由其发现者基尔霍夫教授和本生以拉丁文“caesius”（意为天蓝色）命名了铯。
原子钟的名字非常唬人，好像使用原子计时，现在我们明白原子钟是石英表为节拍器，原子磁共振是控制节拍器的精度防止其发生漂移，所以从本质上讲还是石英表的变型。
（七）原子钟带来的计时革命————秒的计量精度提高和重新定义
原子钟发明之后，主要的发展方向有两个，第一是计时精度的提高，第二是小型化。
计时精度的提高是主要是采用共振频率更高的元素作为分子束源，共振频率从微波波段进入到频率更高的（可见）光波波段，这个处于可见光波段的原子钟成为光（原子）种，乍看其名十分唬人。
秒的使用历史可以追溯到14世纪中期，当时人们开始有了这一概念。公元1660年，伦敦皇家学会提出利用单摆来确定秒的长度。1884年，华盛顿会议制订全球时区表，将一个平太阳日的1/86400作为一秒，这被称为世界时秒。
原子钟发明以后，1967年，秒的定义进行了改变，采用原子时作为新的定义基准，原来的格林威治时间标准更换为协调世界时。
1960年以前，CIPM（国际计量大会）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day其稳定度在10-8左右。
1960年：国际计量大会决定采用以地球公转的运动为基础的历书时秒作为时间单位，即将1900年初附近，太阳的几何平黄经为279°41'48.04的瞬间作为1900年1月O日12时整，从该时刻起算的回归年的1/31556925.9747作为一秒。按此定义复现秒的准确度提高到十亿分之一秒。10的负9次方。
1960~1967年：CIPM改以地球公转为基础，定义西元1900年为平均太阳年。秒定义更改为：一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。1 Sec = 1/31556925.9747 Solar Year at 1900稳定度约为10-9。
1965年：计时精确到毫微秒。10的负9次方。
1967年：CIPM依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。即将铯-133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁相对应辐射周期的9192631770倍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。10的负13次方。
以前是以天为基准定义秒，现在是以原子时来定义秒，所以此后1天的秒数不再是固定值，出现了润秒。
闰秒，是指为保持协调世界时接近于世界时时刻，由国际计量局统一规定在年底或年中（也可能在季末）对协调世界时增加或减少1秒的调整。由于地球自转的不均匀性和长期变慢性（主要由潮汐摩擦引起的），会使世界时（民用时）和原子时之间相差超过到±0.9秒时，就把协调世界时向前拨1秒（负闰秒，最后一分钟为59秒）或向后拨1秒（正闰秒，最后一分钟为61秒）； 闰秒一般加在公历年末或公历六月末。
全球已经进行了27次闰秒，均为正闰秒。最近一次闰秒在北京时间2017年1月1日7时59分59秒（时钟显示07:59:60）出现。这也是本世纪的第五次闰秒。
2022年11月18日，科学家和政府代表在法国举行的一次会议上投票决定将在2035年取消闰秒。
（八）原子钟带来的计时革命————相对论的实测验证和全球定位
铯原子钟的技术逐渐发展，到1970年代已经可以比较容易的搬动。1971年10月，Hafele和Keating两人乘坐商用飞机对相对论进行了验证。
虽然飞机速度并不快，但由于飞行时间足够长（环绕地球一周），相对论效应（钟慢效应）就比较明显了。两架飞机上的原子钟在时间的流逝速度上就会有差异，而且与地面上的原子钟相比，时间流逝速度同样也都有差异。
同样地，由于飞机远离地面飞行，受到的地球引力较小，引力差异造成的钟慢效应也会凸现出来，飞机上的原子钟时间流逝速度会变快。
最终的实验结果如下：向东飞行的飞机，原子钟时间比地面原子钟慢了59纳秒。而向西飞行的原子钟比地面原子钟快了273纳秒。通过相对论慢效应理论计算出来的数据，与上述数据基本一致，微小的误差在可接受范围，毕竟任何形式的实验都是有误差的。
1971年10月18日，时代杂志插图
他们的论文发表在1972年的期刊Science上，说明了相对论的正确性。
Hafele and Keating, Around the world atomic clocks: predicted relativistic time gains. Science 177 (1972) 166.
Hafele and Keating, Around the world atomic clocks: observed relativistic time gains. Science 177 (1972) 168.
2022年2月17日，Nature封面的一篇文章证明了，即使高度差头发丝的宽度那么小的距离，这带来的时间变化是10的-20次方（一千亿亿分之一，也就是大约3000亿年只相差1秒）。
这种由于引力不同造成的时间差叫做引力红移，爱因斯坦早在1915年就预测了这种现象，但是这种“移动”非常小，直到1976年才有了第一次精确的实验验证。此后虽然已经得到无数次验证，但是如此高精度的检测还是头一次。
1972年，建立了 全球协调时间时。 UTC （ Coordinated Universal Time ）。 世界协调时是全球通用的标准时间系统，采用 00:00 到 23:59 的格式表示时间。 “UTC” 既非英文 “Coordinated Universal Time” 的首字母缩写 “ CUT ” ，也非法文 “TempsUniversel Coordonné” 的缩写 “ TUC ” ，而是在两种国际工作语言之间达成的妥协，旨在形成一个国际通用的、不偏向任何一方语言的标识符。
1973年美国国防部开始研发 全球定位系统（GPS ） ， 最终于1994 年全面建成。
大航海时代以来，定位的需求推动了精密计时和标准时间的设立，由科学和技术进步自发衍生出来的石英钟、石英原子钟、相对论等计时工具的发展发过来回归到精确定位的目标上来。
（九）原子钟带来的计时革命————电波表 - 大众计时普惠时代
石英表在1970-1980年代已经逐渐取代机械手表成为民众使用的计时工具，但是其准确度也需要经常校正，从原子钟的小型化程度和经济成本来看，将石英表换成原子表是不合实际的。于是人们发明了共用原子钟的方案。
1985年，第一个由无线电波控制的座钟问世了，这个钟表是石英钟，内置高感度小型天线，接收从装有原子钟的授时台发出的标准电波进行自动对时，因而可以实现时间上的精准。这种石英表被称为电波钟。
2007年7月，在中国河南商丘建成的新电波塔已经开始发送电波。电波表在我国逐渐推广开来。目前市场上的石英表大多都是电波表。
（十）原子钟的发展方向————更准、更小
原子钟方面的研发目前仍旧是国际科学技术研发的重要领域，角力的主要方向是更准、体积更小。
1970年以后，新型的原子钟不断出现，包括喷泉钟和光晶格钟，
原子钟的精度还在逐渐提高：
1970年，计时精确到微微秒。10的负12次方。
1990年，精确到毫微微秒。10的负15次方。
1998年，建立超冷铯原子钟，比微微秒又要精确10万倍，达到10的负17次方。
2003年，香取秀俊（Hidetoshi Katori） [1]教授制作完成了首个“光晶格钟”。光晶格钟通过使被称作“魔法波长”的一种特定波长的激光发生干涉，在干涉形成的微小空间（即光晶格）中，保证不发生原子间相互作用的前提下逐个地捕获约100万个被激光冷却的原子。然后，用激光照射这些被捕获的原子，精确地测量有光的吸收作用的“原子振子”的振动数。正是这种对光的振动的计数决定了1秒钟的时间长度。光晶格钟比现行原子钟的精度高出数百倍乃至数千倍，进而使时间单位“秒”的精度也有了飞跃性的提高。光晶格钟的发明刷新了时间单位“秒”的定义。
2007年，叶军及研究团队做出了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。
2008年，诞生锶（Strontium87）原子钟，固有频率为429 228 004 229 873，约合430万亿赫兹，更是将精度提高到了10的17次方。
2013年，据Oates和Ludlow在《科学》杂志上发表的报告，用镱元素（ytterbium）制成的原子钟问世。镱原子钟的固有频率约合518万亿赫兹，比锶原子钟的430万亿赫兹更高。精度也更是高达10的18次方。
2023年4月1日，据欧洲核子研究中心官网报道，在一项最新研究中，该机构反物质工厂的科研团队结合铯和反铯原子振荡并取平均值，对秒进行了迄今最精确的测量并定义为——铯13原子振荡8846157280次为1秒，按照新定义，一天将达24小时56分24秒。
2024年1月25日消息，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、戴汉宁等组成的研究团队，成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5×10-18（相当于数十亿年的误差不超过一秒）的锶原子光晶格钟，宇宙的寿命为138亿年。
2025年9月，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队日前建造出全球最为精准的时钟。该新型光学原子钟以单一铝离子为核心，可实现极为精确的时间测量，其分数频率不确定度低至5.5 × 10 ⁻ ¹ ⁹ ——意味着它要比宇宙的年龄还久才会快或慢一秒。
目前-18和-19次方的精度似乎是原子钟的极限了。
普朗克时间（Planck time）是量子物理学中时间的最小单位，其数值约为 5.39×10 ⁻⁴⁴ 秒 ，被视为时间存在的最小间隔。不知道将来科学的进步能将极限推进到什么量级。
在体积更小方面，2004年，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队研发的芯片级别原子钟chip-scale atomic clocks (CSAC)比一粒大米还要小，
入选吉尼斯世界纪录。
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