时间基准

    所谓时间基准,就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度,长期以来,人们一直在寻求着这样的时间尺度。

   在远古时期,人类以太阳的东升西落作为时间尺度;公元前二世纪,人们发明了地平日晷,一天差15分钟;一千多年前的希腊和我国的北宋时期,能工巧匠们曾设计出水钟,精确到每日10分钟误差;六百多年前,机械钟问世,并将昼夜分为24小时;到了十七世纪,单摆用于机械钟,使计时精度提高近一百倍;到了20世纪的30年代,石英晶体震荡器出现,对于精密的石英钟,三百年只差一秒…。

    自十七世纪以来,天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度:当地球绕轴自转一周,地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。1820年法国科学院正式提出:一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒,称为世界时秒长。

   由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢,所以世界时每天可精确到1×10-9。但是社会的进步和科学技术(特别是航天、空间物理、军事等)的飞速发展,使人们对时间尺度的精度需求越来越高。

  1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功,其中有一位科学家是我们中国人,叫王天眷(后来回国,多年从事祖国的频标事业)。原子钟的出现标志着一门崭新的学科:量子电子学诞生。1963年13届国际计量大会决定:铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。此定义一直延用至今。所以,从1963年后,时间基准的名称应该由PRIMARY CLOCK来代替,它指的是实验室型大铯钟。就已发表的资料来看,德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-CsI、美国国家标准局的NBS-6及加拿大国家研究院的NRC-CsV的准确度均已达到10-14量级。我国计量院的CsIICsIII也达到10-13量级。由此可见PRIMARY CLOCK的准确度至少要比商品型小铯钟高出一个数量级。

  对于大铯钟这样的一级时间标准,世界上只有少数几个国家的时频实验室拥有,而且,有的还不能长期可靠地工作。但是,对于世界上大多数没有大铯钟的实验室也可以有自己的时间尺度。其方法是:用多台商品型铯钟(目前5071A型小铯钟的准确度为1×10-12)构成平均时间尺度。你的实验室的小铯钟越多,你的时间尺度的稳定性就越好。有了这样高稳定度的时间尺度,也可以满足国防、科研、航天等方面的急需。例如:我们国家授时中心有六台小铯钟,组成我们的地方原子时尺度,其稳定度为10-14量级。国外有的实验室有几十、乃至几百台小铯钟,那麽,稳定度就更高了。

国家授时中心5071铯钟组

    社会在进步,科技在发展,人类对新的时间基准的研究仍在继续,大铯钟作为PRIMARY CLOCK的地位受到严重冲击。例如:原子喷泉、光频标就是它的强力对手。喷泉钟的准确度进入10-15, 最好的达到1×10-15(美国标准与技术研究院)。光抽运铯束基准频标的准确度也进入10-15(法国巴黎时间频率实验室)。

    因此,不久的将来,喷泉钟或光频标完全有可能取代目前的微波频标,成为新一代的时间频率基准。