|1.2 时间及时间统一技术发展历程|

1.2.1 时间发展历程

时间是物质存在和运动的基本形式之一，它客观存在，是在认识事物的实践中形成的。人们通常所谈到的时间可以被定义为：在一个具有确定原点的坐标轴上某一点的时刻及某一段的时间间隔。在日常生活中，可以将时间的这种双重含义拆开来看：“时”代表时刻，即某一事件发生的瞬间；“间”代表时间间隔，即某一事件发生时间的长短。有了这一概念，人们可以根据时刻区分事件发生的先后顺序，同时根据时间间隔掌握事件发生的持续时长。

时间基准的前提和基础是频率基准，频率基准是时间统一系统的核心，要得到准确的时间基准必须要有稳定可靠的高精度频率基准。频率是周期的倒数，定义为在单位时间（1s）内完成周期性变化的次数，它的单位是赫兹（Hz），在国际单位制（SI）中，赫兹是时间单位秒（s）的导出单位，量纲为[T-1]。如果在一段时间T内周期性变化了N次，则频率可以由表达式N/T计算得出。由于周期和频率是倒数关系，可以通过测量频率求出周期，也就是时间间隔，这是常见的计算时间的方法之一。频率基准源是指产生高稳定度、高精度标准频率信号的振荡器及其附属电路，它们对时间统一系统的性能起决定性的作用，决定着一个时间基准能否满足要求。制定时间基准和频率基准的第一步就是寻找频率极其稳定、精确的重复的周期现象。目前，相对实用的时间和频率基准主要有石英晶体振荡器和原子频标两大类。原子频标精确度高，但是成本较高，主要用于科学实验等对时间和频率精度要求较高的场合；而石英晶体振荡器性价比高，被广泛使用在对时间和频率精度要求不高的领域。

时间计量技术的发展先后经历了根据太阳运动规律计时、根据流体规律计时、机械结构计时工具、石英钟、原子钟等阶段，具体历程如下。

1.根据地球运动规律计时

远古时代，人们通过太阳的升降判断一天的早晚。当太阳升起的时候，人们开始一天的工作，太阳下山后，人们结束一天的忙碌，开始休息。“日出而作，日落而息”这句话其实也体现了人类利用自然现象进行的最简单的计时。随着社会文明的发展和进步，人们开始探索研究利用人造的工具计时，于是日晷出现了。日晷通常由晷针（表）和晷面（带刻度的表座）组成，利用太阳的投影方向测定并划分时刻。

日晷是观测日影记时的仪器，主要是根据日影的位置，以指定当时的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的记时仪器。但在史籍中却少有记载，现在史料中最早的记载是“汉书·律历志·制汉历”一节：太史令司马迁建议共议“乃定东西，主晷仪，下刻漏”。日晷的类型也有很多，分为：水平式日晷、赤道式日晷、极地晷、南向垂直日晷、东或西向垂直式日晷、侧向垂直式、投影日晷和平日晷。

2.根据流体规律计时

漏刻是一种典型的等时计时装置，计时的准确度取决于水流的均匀程度。早期漏刻大多使用单只漏壶，滴水速度受壶中液位高度的影响，液位高，滴水速度较快，液位低，滴水速度较慢。为解决这一问题，古人进一步创制出多级漏刻装置。所谓多级漏刻，即使用多只漏壶，上下依次串联成为一组，每只漏壶都依次向其下一只漏壶中滴水。这样一来，对最下端的受水壶来说，其上方的一只泄水壶因为有同样速率的来水补充，壶内液位基本保持恒定，其自身的滴水速度也就能保持均匀。

沙漏也叫作沙钟，是一种测量时间的装置。西方沙漏由两个玻璃球和一个狭窄的连接管道组成。通过充满了沙子的玻璃球从上面穿过狭窄的管道流入底部玻璃球所需要的时间来对时间进行测量。一旦所有的沙子都已流到底部玻璃球，该沙漏就可以被颠倒以测量时间了，一般沙漏名义上的运行时间为1min。

3.机械结构计时工具

机械结构计时工具的出现，使得计时器摆脱了天文仪器的结构形式，人类对计时的研究得到了突破性的新发展。1090年，北宋宰相苏颂主持建造了一台水运仪象台，该仪象台具有比较复杂的齿轮传动机构，能报时打钟，而且有擒纵器，它的结构已近似于现代机械钟表的结构，且每天的误差仅有1s，可谓机械钟的鼻祖。

在16世纪的欧洲，意大利天文学家伽利略从教堂吊灯的摆动受到启发，通过多种试验发现了单摆的等时性，提出利用单摆制造钟表，同时让他的两个孩子设计制造钟表的图纸，但他们并没有制造出来。1656年，荷兰物理学家惠更斯通过大量的理论研究与实践，应用伽利略的理论制造出了人类历史上的第一个钟摆。1675年，他又用游丝取代了原始的钟摆，这样就形成了以发条为动力、以游丝为调速机构的小型钟，同时也为制造便于携带的钟表提供了条件。19世纪，世界各地产生了大批钟表生产厂商，机械钟表的小型化取得了巨大的进步，携带方便的袋表和手表开始出现在人们的日常生活中。

4.石英钟

石英钟也可叫作“石英振动式电子表”，因为它利用石英片的“发振现象”。石英接收到外部的加力电压，就会有变形及伸缩的性质，相反，压缩石英会使石英两端产生电力，这样的性质在很多结晶体上也可见到，称为“压电效应”。石英钟就是利用周期性持续“发振”的水晶，为我们带来准确的时间。1921年，华持·加迪制造了世界上第一个石英晶体振荡器。沃伦·马利逊和霍顿于1927年，在加拿大的贝尔实验室使用石英晶体振荡器制造了首台石英钟，它体积很大，差不多有两个衣柜那么大，每天误差约0.1s。20世纪40年代的石英钟每天误差约百分之几秒，到了50年代，石英钟一昼夜的误差只有万分之一秒左右。我们手上戴的石英表和家里挂的石英钟都是石英钟的一种，但属于最低级的，因使用的石英片又小又薄，受温度变化影响，不是很准；但在短时间内非常准确，足以满足人们的日常需要，加上价格便宜，又不像机械表那样需要每天上弦，因此很受欢迎。

5.原子钟

原子钟是一种计时装置，精度可以达到每2000万年才误差1s，它最初由物理学家创造出来用于探索宇宙本质，他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统。20世纪30年代，美国哥伦比亚大学教授伊西多·拉比和他的学生们在实验室里研究原子和原子核的基本特性。在其研究过程中，伊西多·拉比发明了一种被称为磁共振的技术。

目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢（Hydrogen）、铯（Cesium）、铷（Rubidium）等。原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1s，这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。