从日晷到原子钟，我们如何确定时间？

现代工作和生活中的一秒是怎么来的？

在现代社会中，“一秒”的定义是指铯-133原子基态的两个超精细能级间振荡跃迁9192631770次所持续的时间。如今，我们获取时间信息非常方便，只需随手拿起手机就能知道。那在古代，人们是如何进行时间计量的呢？下面就介绍一下古代计量时间的三种方法。

日晷：主要由晷面（也称为晷盘）和晷针（也称表针或日晷针）组成。在一天中，太阳从东方升起，向西方落下，其光线投射在晷面上的影子也会随之移动。

当太阳位于最高点（即正午时分）时，晷针的影子会指向晷面上的某个特定点，这个点通常被标记为“午时”或“中午”。通过观察晷针影子在晷面上的位置，并对照晷面上的时间刻度，可以确定当前的时间。

火钟：又称火闹钟，是古时人们利用火的燃烧来测量时间的装置。火钟利用火的稳定燃烧速度来计时：在特定的结构上，比如一根香或蜡烛上串有棉线系住的铃铛或其他能发出声响的装置，当火燃烧到特定位置时，会烧断棉线使铃铛落下发出声响，从而标记时间的流逝。每次铃铛落下或声响发出，都代表着一段时间的结束，从而实现对时间的测量。

流体钟：包括刻漏、水运仪以及常见的沙漏，它们是利用水或沙子在重力作用下的稳定流动来计时。在刻漏中，当水从第一个桶滴入第二个桶时，可以通过观察第二个桶中水位的上升来估计时间的流逝。还有一种称漏，是通过称量水流进桶中的重量来计算时间。

到了近代，人类相继发明出摆钟、机械表、石英表以及电子表等精密计时仪器，这些仪器的测量精度显著提升，稳定性亦得到大幅增强。在一千多年前的北宋时期，技艺高超的工匠们创制了水钟，其精确度达到了每日仅10分钟的误差。大约600年前，机械钟的诞生进一步提升了计时的精确性。到了20世纪30年代，石英晶体振荡器的出现使得误差进一步缩小，能够达到300年仅误差一秒的水平。

原子钟的诞生

人类测量时间的精度在不断提高，那我们为什么需要这么高精度的时间呢？时间的精度对于我们来说又有多重要呢？

中国的天问一号探测器已成功抵达距离地球约5500万千米之遥的火星，并进行了近距离的探索研究。那么这一成就和时间有什么关联呢？

我们知道，探测器首先将被加速至11.2千米/秒的第二宇宙速度，地球距离火星如此遥远，若探测器在地火转移轨道附近存在1千米的高度误差，那么它抵达火星时可能就会产生高达10万千米的距离误差。因此，若探测器的时间精度无法达到千分之一秒的精度，其结果将不仅仅是与火星失之交臂，而是差之万里了。

随着芯片等量子物理的出现，电脑、手机顺势而生，它们改变了我们的生活。人类只有控制在微秒甚至更高量级的时间，才能去更细致地研究原子、电子等微观粒子的特性。

原子钟如何工作？

现代意义上定义“一秒”的装置被称为铯原子喷泉钟，它也被视作人类活动时间的标准。所有涉及时间测量的仪器均需以这种原子钟为基准进行校准。

那么，这种钟与先前的钟有何区别呢？我们称它为冷原子钟，而先前的大多数原子钟属于热原子钟。在冷原子钟中，我们利用激光冷却技术将散逸的原子冷却成一个紧密的原子团。随后，通过将原子团向上抛投并使其下落，便能够探测到原子钟的性能。

原子钟的应用领域

在天文学中，原子钟可以精确测量天体的位置和运动。通过对来自遥远天体的信号进行高精度时间标记，科学家能够更准确地计算天体之间的距离、相对运动速度等，为天体物理学的研究提供更精确的数据支持。

在卫星导航系统中，原子钟也是核心部件之一，其精度决定了导航系统的定位和授时精度。高精度的原子钟能够使卫星导航系统的定位更加准确，为人们的出行、航空航海等提供更可靠的导航服务。在未来人类深空探测中，随着人类探索范围不断扩大，对导航的精度要求越来越高。原子钟可以在遥远的距离上保持精确计时，为航天器的精确导航提供保障。