原子钟的革命性作用及未来发展

时间测量在科学研究和日常生活中都有着极其重要的作用。时间被定义为基本物理量之一,配以其他几个基本物理量可以推导出物理学中所有的物理量。

时间测量的基准经历了世界时、历书时,现已发展到原子时。

1955年英国皇家物理实验室研制成功了世界上第一台铯原子频率标准,此后每隔5年左右,时间标准的精确度就提高一个数量级(见表2.1)。

表2.1　时标精确度

原子钟的出现是时间计量史上的一次革命,它使时间计量标准从此由传统的天文学的宏观领域过渡到一个崭新的物理学的微观领域。

1967年10月举行的第13届国际计量大会上,通过了国际单位制中秒的新定义:秒是铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。

迄今为止,时间标准及其派生物——频率标准是被最精密定义和测量的量。近二三十年来,高精度时间或频率的测量方法和技术研究十分活跃,许多专门的测量仪器不断涌现,实用频率标准有铯原子钟、氢原子钟、铷原子钟等。而光学频标、离子阱原子频标和铯原子喷泉频标等已成为时间测量研究的新热点。(www.xing528.com)

20世纪80年代以来,我国已成为世界八大先进授时国之一,我国采用的原子钟的精度为3×10-13s,属国际先进行列,已为我国运载火箭、核潜艇、远程战略武器的发射、入轨、落区测控等提供了高精度的时间频率信号,为电台和电视台提供了标准时间,为卫星测距、定位、通信、导航和天文测量等许多方面做出了贡献。原子钟不仅在上述领域得到广泛应用,而且在基础研究方面也大有用武之地,如用原子钟验证相对论和量子论,时间的精确确定导致长度标准的改变。1975年第15届国际计量大会决定,将光速定义为c=299 792 456.2 mg·s-1;1983年第17届国际计量大会正式通过米的新定义:米是光在真空中1/299 792 458 s时间间隔内所经路径的长度,从此把时间和长度统一关联在原子上。根据定义,只要测量频率的精度提高,则长度单位的测量精度同时提高,无须另行定义,故具有划时代的意义。

随着时间测量方法和技术的改进,以及测量精度的提高,新频标不断完善和实用化,原子钟将在21世纪为人类和平与进步发挥更大的作用。

时间测量包含两个最基本的内容:

①时间间隔的测量——测量客观物质运动(或变化)的两个不同状态之间所经历的时间历程。

②时刻的测量——测量客观物质在某一运动(或变化)状态的瞬间。

广义的时间测量指在10-24～1038s这一时间区域内的测量。所以,人们不可能用单一的物质运动过程来测量时间,而必须根据所要研究问题的实际情况,选用不同的时间测量仪器和方法。一般来说,最常用的时间测量在计时学和微计时学范围之内。