【科普物理】近现代计时工具的发展（下）
你知道我们每天从电台里听到的北京时间是在哪里发布的吗？你还真的以为是在北京发布的吗？不，不是的，而是在陕西。那为什么是设置在陕西而不是在北京呢？同时，陕西的时间是怎样测定的以及怎样计时的呢？这就是我们这篇文章要跟大家探讨的问题。
首先大家先来看看陕西在我国的地理位置。
我们可以从这张图片看出，国家授时台（陕西天文台）本部地处我国中部腹地——陕西临潼，这里承担着我国标准时间的产生、保持任务，并采用多种手段与国际时间保持同步，同时这里拥有一支时频领域的科研队伍。而授时台（授时信号发射）位于陕西蒲城，主要有短波和长波专用无线电标准时间标准频率发播台。
为什么我们要把国家授时中心建在陕西蒲城呢？蒲城地处大陆腹地，离中国大地原点仅100公里，发射的时间信号便于覆盖全国；当地地质构造稳定，授时中心因地震等自然灾难被毁坏的系数极小；由于其重要性，建立在内陆地区比较安全。
你知道吗？在建国初期的时候，我国的时间发布，则是由上海天文台租用邮电部真如国际电讯台向全国发布的。由于当时技术设备和上海在全国的地理位置不是很适中等因素，我国的时间发布效果不很理想。而此时，美、苏、日等发达国家都陆续建立了本国的标准时间标准频率授时系统。台湾国民党当局也依附美国建起了BFS标准时间标准频率授时台。
后来，1966年3月26日周恩来总理亲自主持召开国务会议，把建设我国标准时间授时台的计划正式确定下来，随之面临的第一大问题便是选址。周恩来总理亲自组织抽调了通信、计量、天文、地理、数学等领域的百余位科技人员着手确定我国的时间基点。科研人员的足迹踏遍大江南北，核算出了数万组数据，终于在1970年正式建立了具有我国特色的频率授时服务功能系统。按照国际惯例，各国的标准时间一般都以本国首都所处的时区来确定。北京处于国际时区划分中的东八区，同格林威治时间整整相差8小时，而我国东西相跨5个时区，授时台必须建在中心地带，从而也就产生了长短波授“北京时间”的发播不在北京，而在陕西蒲城。
1970年12月15日，国家授时中心开始向全国进行短波广播。在半径达3000公里的范围内，人们第一次从收音机里听到日后耳熟能详的“嘟、嘟－－－”的六响，然后紧接着是一句报时语音：“北京时间XX点/点30分整。”而北京时间也并不是北京地方的时间，而是东经120度地方，也就是距离北京以东约340公里处的地方时间。
我们平时生活中的时间是通过电视手机电台网络等获取的，它们的数据都不约而同地来自于国家授时中心。那么问题来了，国家授时中心的时间又是怎们来的呢？学过地理的粉丝们就会告诉我，是通过计算太阳高度角来确定东经120度的地方时的。好，那么晚上的时候呢？没有了太阳怎么办？粉丝们可能又会告诉我，就用钟表呢！没错，是真的用钟表，不过钟表是我们普通老百姓用的，国家授时中心用的是超级钟表——原子钟。
何为原子钟？
我们先引用一下百度百科对原子钟的介绍：
原子钟是一种钟，它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转化的基准，用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号。
换句话来说，原子钟是利用原子吸收或者释放能量时发出的电磁波来计时的（学过物理的人都知道，原子中的电子向别的能级进行跃迁的时候都需要吸收或者释放特定的能量，多了或者少了哪怕那么一点点都不会发生跃迁的激发态）。由于这种辐射电磁波的周期十分稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟就可以非常精准了。原子钟的精度可以达到每100万年才误差一秒（表示笔者的手表最多半年就需要重新对表一次了）。
然而，当我告诉你这还不是最准的钟表的时候，你信吗？那就让我们来看看中国计量科学研究院研制的锶87原子光晶格钟（以下简称锶光钟）吧。
中国计量院锶原子光晶格钟研究工作始于2007年，由方占军研究员领衔的创新团队承担。2015年7月，该团队顺利完成了锶光钟的第一次系统频移评定和绝对频率测量工作，准确度达到2.310-16，相当于1.38亿年不差一秒。
锶光钟是目前世界上频率稳定度最高的原子钟，也是研究最多的冷原子光晶格钟，高出现行秒定义所采用的铯原子喷泉钟2个数量级，被认为是新一代秒定义最有潜力的候选者。目前，包括中国计量院在内，已有美国科罗拉多大学与美国标准与技术研究院联合实验室、日本东京大学、法国巴黎天文台时间频率标准实验室等8家单位的锶光钟数据被国际频率标准工作组采纳。
很厉害是吧？很惊人是吧？国外还有更厉害的呢！
这种打破世界纪录的新型原子钟的准确度高的惊人，它能在50亿年(笔者插一句话：到目前为止，地球的年龄为46亿年左右，可以认为如果这个时钟从地球诞生时就存在了，那么直到今天该时钟仍然能够保持足够的精确度。)间不慢一秒，也不快一秒。这种“锶晶格钟”比以前的世界纪录保持者——美国国家标准与技术研究所(NIST)的量子逻辑时钟的准确度高50%。研究人员表示，这种钟表的准确度是如此之高，它甚至能显示出重力对时间产生的影响。该钟是由美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学的一个科研组，在美国天文物理联合研究室(JILA)里研制的。
这钟牛在哪里？让笔者告诉你：从稳定性方面而言，这种新钟的性能与美国国家标准与技术研究所的世界领先的镱原子钟不相上下。原子钟依靠两个能量级之间的原子振荡进行操作。在锶晶格钟里，数千个锶原子被困在一个激光光阱柱里。科学家通过让这种原子沐浴在非常稳定的红激光里，发现钟表的“滴答声”，每隔四百三十万亿分之一秒，钟表会发出一次“滴答声”。激光触发的精确频率提示着能量级之间的转换。我们的目的是拥有一个非常精准的钟，它能在整个宇宙岁月里不慢一秒。然而该钟遇到了一个意外阻碍——地球上各个地方的时间并不是以相同的速率度过的。
为什么呢？
那是因为时间度过的速度与重力(是爱因斯坦的相对论的组成部分)的强度有关，而且这是一个非常现实的影响。如果你把一个钟表从地面上拿起来，把它悬挂在墙上，时间将会加快大约一千零十六分之一。然而这种新钟表的灵敏度足以发现这种变化:仅把它举高几厘米，你就会看到一些变化。从这个水平来说，在地球上维持绝对时标事实上很难实现。他们打造的这种钟表，不只是看起来混乱。它正把我们的时间感变混乱。而解决上述问题的办法，就是把这些新钟表送入太空。
另外，科学家发现脉冲星是另外一种独特的时间计量器具，它是一种告速旋转的致密中子星，自转周期非常稳定，通过对脉冲星的计时观测，可以建立高精度的时空参考架，利用脉冲星钟建立和保持的综合脉冲星时系统，有可能比目前的原子时系统具有更高的长期稳定度，并能独立地检验原子时的系统误差。
科学家还研究出了比现行的基准钟——铯原子钟精度更高的时钟，即光钟，铯原子钟作为基准钟的地位受到严重的冲击（1967年，铯原子钟被用来进行“秒”的定义，即为无干扰的133Cs原子基态两个超精细结构子能级之间微波频率跃迁周期的9192631770倍，也就是我们所说的国际原子时）。光频标利用以原子的光学波段共振频率标准作为时间频率的钟——光学原子钟。因为原子钟在测量时间频率时，它的“尺寸”就是原子共振时发出的波长，波长越短意味着“尺子”的刻度越精细，测量也就越精确。光钟里原子共振的波长要比微波原子钟里的波长要短5个量级。目前最新光钟的测量精度已经比微波原子钟高出了100倍还多。
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