現(xiàn)代工作和生活中的一秒是怎么來的？

在現(xiàn)代社會(huì)中，“一秒”的定義是指銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間振蕩躍遷9192631770次所持續(xù)的時(shí)間。如今，我們獲取時(shí)間信息非常方便，只需隨手拿起手機(jī)就能知道。那在古代，人們是如何進(jìn)行時(shí)間計(jì)量的呢？下面就介紹一下古代計(jì)量時(shí)間的三種方法。

日晷：主要由晷面（也稱為晷盤）和晷針（也稱表針或日晷針）組成。在一天中，太陽從東方升起，向西方落下，其光線投射在晷面上的影子也會(huì)隨之移動(dòng)。

當(dāng)太陽位于最高點(diǎn)（即正午時(shí)分）時(shí)，晷針的影子會(huì)指向晷面上的某個(gè)特定點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)通常被標(biāo)記為“午時(shí)”或“中午”。通過觀察晷針影子在晷面上的位置，并對照晷面上的時(shí)間刻度，可以確定當(dāng)前的時(shí)間。

火鐘：又稱火鬧鐘，是古時(shí)人們利用火的燃燒來測量時(shí)間的裝置?；痃娎没鸬姆€(wěn)定燃燒速度來計(jì)時(shí)：在特定的結(jié)構(gòu)上，比如一根香或蠟燭上串有棉線系住的鈴鐺或其他能發(fā)出聲響的裝置，當(dāng)火燃燒到特定位置時(shí)，會(huì)燒斷棉線使鈴鐺落下發(fā)出聲響，從而標(biāo)記時(shí)間的流逝。每次鈴鐺落下或聲響發(fā)出，都代表著一段時(shí)間的結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)對時(shí)間的測量。

流體鐘：包括刻漏、水運(yùn)儀以及常見的沙漏，它們是利用水或沙子在重力作用下的穩(wěn)定流動(dòng)來計(jì)時(shí)。在刻漏中，當(dāng)水從第一個(gè)桶滴入第二個(gè)桶時(shí)，可以通過觀察第二個(gè)桶中水位的上升來估計(jì)時(shí)間的流逝。還有一種稱漏，是通過稱量水流進(jìn)桶中的重量來計(jì)算時(shí)間。

到了近代，人類相繼發(fā)明出擺鐘、機(jī)械表、石英表以及電子表等精密計(jì)時(shí)儀器，這些儀器的測量精度顯著提升，穩(wěn)定性亦得到大幅增強(qiáng)。在一千多年前的北宋時(shí)期，技藝高超的工匠們創(chuàng)制了水鐘，其精確度達(dá)到了每日僅10分鐘的誤差。大約600年前，機(jī)械鐘的誕生進(jìn)一步提升了計(jì)時(shí)的精確性。到了20世紀(jì)30年代，石英晶體振蕩器的出現(xiàn)使得誤差進(jìn)一步縮小，能夠達(dá)到300年僅誤差一秒的水平。

原子鐘的誕生

人類測量時(shí)間的精度在不斷提高，那我們?yōu)槭裁葱枰@么高精度的時(shí)間呢？時(shí)間的精度對于我們來說又有多重要呢？

中國的天問一號(hào)探測器已成功抵達(dá)距離地球約5500萬千米之遙的火星，并進(jìn)行了近距離的探索研究。那么這一成就和時(shí)間有什么關(guān)聯(lián)呢？

我們知道，探測器首先將被加速至11.2千米/秒的第二宇宙速度，地球距離火星如此遙遠(yuǎn)，若探測器在地火轉(zhuǎn)移軌道附近存在1千米的高度誤差，那么它抵達(dá)火星時(shí)可能就會(huì)產(chǎn)生高達(dá)10萬千米的距離誤差。因此，若探測器的時(shí)間精度無法達(dá)到千分之一秒的精度，其結(jié)果將不僅僅是與火星失之交臂，而是差之萬里了。

隨著芯片等量子物理的出現(xiàn)，電腦、手機(jī)順勢而生，它們改變了我們的生活。人類只有控制在微秒甚至更高量級(jí)的時(shí)間，才能去更細(xì)致地研究原子、電子等微觀粒子的特性。

原子鐘如何工作？

現(xiàn)代意義上定義“一秒”的裝置被稱為銫原子噴泉鐘，它也被視作人類活動(dòng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。所有涉及時(shí)間測量的儀器均需以這種原子鐘為基準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

那么，這種鐘與先前的鐘有何區(qū)別呢？我們稱它為冷原子鐘，而先前的大多數(shù)原子鐘屬于熱原子鐘。在冷原子鐘中，我們利用激光冷卻技術(shù)將散逸的原子冷卻成一個(gè)緊密的原子團(tuán)。隨后，通過將原子團(tuán)向上拋投并使其下落，便能夠探測到原子鐘的性能。

原子鐘的應(yīng)用領(lǐng)域

在天文學(xué)中，原子鐘可以精確測量天體的位置和運(yùn)動(dòng)。通過對來自遙遠(yuǎn)天體的信號(hào)進(jìn)行高精度時(shí)間標(biāo)記，科學(xué)家能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算天體之間的距離、相對運(yùn)動(dòng)速度等，為天體物理學(xué)的研究提供更精確的數(shù)據(jù)支持。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，原子鐘也是核心部件之一，其精度決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的定位和授時(shí)精度。高精度的原子鐘能夠使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位更加準(zhǔn)確，為人們的出行、航空航海等提供更可靠的導(dǎo)航服務(wù)。在未來人類深空探測中，隨著人類探索范圍不斷擴(kuò)大，對導(dǎo)航的精度要求越來越高。原子鐘可以在遙遠(yuǎn)的距離上保持精確計(jì)時(shí)，為航天器的精確導(dǎo)航提供保障。