试听180秒XXXI：时间的标准

在人类历史上，确定标准向来是件很难的事，那么如今我们所使用的标准时间又是如何精确下来的呢？

知识点I：超精细结构——原子里的时钟

天体测量学发现受到潮汐摩擦、大气环流及其他因素的影响，地球自转周期并不稳定，因此1秒（平太阳日的1/86400）的长度也不均匀。20世纪30年代，美国物理学家伊西多·艾萨克·拉比发明了核磁共振的技术，还提出共振频率具有极高的准确性，完全可以用来制作高精度的时钟。量子力学中将一个量子状态到另一个量子状态的变化过程称为跃迁。原子能级有许许多多，光谱仪可以分辨出跃迁的精细结构，如果再加以磁场作用，精细结构还可以再分解为超精细结构。实验发现，基态的超精细结构跃迁频率本身不易受外界磁场的影响，相当稳定。通过磁场作用控制原子只在某两个特定能级之间跃迁，就有可能获得与之相对应的特定跃迁频率，通过计算超精细结构跃迁次数可以确定1s的标准。

 ce

知识点II：原子钟

1949年美国物理学家哈罗德·莱昂斯利用氨分子的振动制造出了第一架原子钟。氨分子被置于真空管中，真空管内有着强大的射频场和特殊的磁场，当一股微波轰击氨分子时，氨分子吸收能量并开始振动，能量随即又被释放，氨分子中的氮原子会上下移动，1秒钟内多达240亿次（即24GHz），这就是氨分子发出的电磁波频率。如果这个频率非常非常稳定的话，那么“1秒”就可以被定义为氨分子震荡240亿次所需的时间。这就是原子钟的基本原理。

后来选用铯133（133Cs）制作原子钟，因为1）铯的超精细结构裂距量大，比较容易测量；2）铯是碱金属中比较稳定的元素，跃迁规律比较容易掌握，而多普勒频移小，可获得更高的精确度；3）在自然界中仅有一种同位素。1955年第一架铯束频标在英国国家物理实验室投入运转。1958年，该实验室和美国海军天文台用历书时秒长，测出了铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为9192631 770Hz。

 铯原子钟

 知识点III：原子时

1967年第十三届国际计量大会决定使用新的时间计量基准：以海平面上铯原子（133Cs）基态能级跃迁辐射的电磁波振荡9,192,631,770次所经历的时间为1秒。此举影响极为深远，因为其他物理量都可以根据秒来进行定义，如“1米”的定义为“光在真空中行进1/299 792 458秒的距离”（1983年起）。（**注：明年召开的国际计量大会讲对“千克”、“摩尔”等部分物理量重新定义，到时候所有物理量的定义都将依赖于时间频率。1971年第十四届国际计量大会确认，从1972年1月1日起，全球使用国际原子时（法语缩写TAI，英语缩写IAT），取代格林威治平均太阳时GMT、世界时UT和历书时ET。

 铯原子结构示意图

知识点IV：守时

天文学家根据恒星的位置来测量时间，这项工作叫做测时。维持一个精准而稳定的时钟，以便随时可以提供全世界同意的准确的时刻，这项工作叫做守时。全球有大约有200多台原子钟运行在工作环境相当严格的60个实验室里。每个实验室还必须拥有多台原子钟联合工作，形成守时钟组。守时系统的核心工作就是保证连续不断地、可靠地提供标准时频信号，主要功能包括运行与维护原子钟、进行内部与外部的比对测量、研究每台原子钟的特性并给出权重、制定相应时间算法、编制软件与计算程序、对数据进行计算、产生时间频率信号、对信号进行微调修正、编制时间公报等等。

 国家授时中心

知识点V：授时

将标准时间通过通信方式向全世界发播，这项工作叫做授时。原子钟产生时间信号后，要将标准时频信号以一定格式的模拟或数字脉冲编码形式加载到载波信号中去，通过电缆、光缆、空气等介质进行传播。现在使用最广泛的授时系统是天基发播系统，其中大家最熟悉的就是GPS。

位于陕西的国家授时中心负责我国时间服务，通过长波授时台和短波授时台向全国及周边地区播发标准时间标准频率。短波授时台（呼号BPM）每天24小时连续不断地以四种频率（2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz同时保证3种频率）交替发播标准时间、标准频率信号，覆盖半径超过3000公里，授时精度为毫秒量级；长波授时台（呼号BPL）每天定时发播载频为100KHz的高精度长波时频信号，地波作用距离1000-2000公里，天地波结合，覆盖全国陆地和近海海域，授时精度为微秒量级。

国家授时中心BPM标准时间标准频率发播台短波天线

知识点VI：协调世界时（UTC）

虽然原子时的精度比世界时高得多，但生活中大家早已习惯使用世界时了。为此，1971年国际计量大会通过决议，使用协调世界时（代号UTC）。规定秒的小数部分使用国际原子时，以原子振荡周期为基准，而时、分、秒还是沿用世界时UT1，以平太阳周日视运动为基准。UTC还特别加入“闰秒”机制，来及时修正原子钟与地球钟之间的误差。规定从1972年1月1日起UTC与IAT之间的差值最大只允许±0.9s，一旦达到这个标准，位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定在6月30日或12月31日的最后一秒加入闰秒（+1s）或负闰秒（-1s），届时将出现1分钟有61秒或59秒的情况。不过，自从UTC推出以来，总计发生过27次闰秒，都是加1秒，从未减1秒，从一个侧面反映出地球自转的确有着变慢的趋势。

闰秒