時間基準

在遠古時期，人類以太陽的東升西落作為時間尺度；公元前二世紀，人們發明了地平日晷，一天差15分鐘；一千多年前的希臘和我國的北宋時期，能工巧匠們曾設計出水鍾，精確到每日10分鐘誤差；六百多年前，機械鐘問世，並將晝夜分為24小時；到了十七世紀，單擺用於機械鐘，使計時精度提高近一百倍；到了20世紀的30年代，石英晶體震蕩器出現，對於精密的石英鐘，三百年只差一秒…。

自十七世紀以來，天文學家們以地球自轉和世界時作為時間尺度：當地球繞軸自轉一周，地球上任何地點的人連續兩次看見太陽在天空中同一位置的時間間隔為一個平太陽日。1820年法國科學院正式提出：一個平太陽日的1/86400為一個平太陽秒，稱為世界時秒長。

由於地球自轉季節性變化、不規則變化和長期減慢，所以世界時每天可精確到1×10-9。但是社會的進步和科學技術（特別是航天、空間物理、軍事等）的飛速發展，使人們對時間尺度的精度需求越來越高。

NIST的美國物理學家哈羅德·萊昂斯 (Harold Lyons)於1949年利用氨分子的振動製造出了第一架原子鐘。由l個氮原子和3個氫原子組成的氨分子形狀規則，很像一個三稜錐。人們可以想象，在三稜錐底部的每一角有一個氫原子，而在頂部有惟一的一個氮原子。在遭到微波“雨”的轟擊之後，氨分子吸收其能量，然後，一旦分子開始振動，能量就被釋放。事實上，如果我們能夠觀察到氨分子的話，我們就能看到氮原子像悠悠球(一種線軸形玩具)一樣上下移動，這樣，三稜錐頂部就好像不斷地在顛倒。這些原子振動速度極快，l秒鐘內發生240億次。240億赫茲就是氨分子發出的電磁波的頻率。這樣，秒就可以被定義為氨分子震蕩240億次所需的時間。自1955年起，氨被銫133取而代之。其原理與氨鍾一樣：向原子“注入”能量，然後測量發出的電磁波的頻率。

對於大銫鐘這樣的一級時間標準，世界上只有少數幾個國家的時頻實驗室擁有，而且，有的還不能長期可靠地工作。但是，對於世界上大多數沒有大銫鐘的實驗室也可以有自己的時間尺度。其方法是：用多台商品型銫鐘（目前5071A型小銫鐘的準確度為1×10-12）構成平均時間尺度。你的實驗室的小銫鐘越多，你的時間尺度的穩定性就越好。有了這樣高穩定度的時間尺度，也可以滿足國防、科研、航天等方面的急需。例如：我們國家授時中心有六台小銫鐘，組成我們的地方原子時尺度，其穩定度為10-14量級。國外有的實驗室有幾十、乃至幾百台小銫鐘，那麼，穩定度就更高了。

1953年是時頻科學的一個新的里程碑。世界上第一台原子鐘在美國哥倫比亞大學由三位科學家研製成功，其中有一位科學家是我們中國人，叫王天眷（後來回國，多年從事祖國的頻標事業）。原子鐘的出現標誌著一門嶄新的學科：量子電子學誕生。1963年13屆國際計量大會決定：銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續的時間為1秒。此定義一直延用至今。所以，從1963年後，時間基準的名稱應該由PRIMARY CLOCK來代替，它指的是實驗室型大銫鐘。就已發表的資料來看，德聯邦的“聯邦技術物理研究院”的PTB-CsI、美國國家標準局的NBS-6及加拿大國家研究院的NRC-CsV的準確度均已達到10-14量級。我國計量院的CsII、CsIII也達到10-13量級。由此可見PRIMARY CLOCK的準確度至少要比商品型小銫鐘高出一個數量級。

社會在進步，科技在發展，人類對新的時間基準的研究仍在繼續，大銫鐘作為PRIMARY CLOCK的地位受到嚴重衝擊。例如：原子噴泉、光頻標就是它的強力對手。噴泉鍾的準確度進入10-15, 最好的達到1×10-15（美國標準與技術研究院）。光抽運銫束基準頻標的準確度也進入10-15（法國巴黎時間頻率實驗室）。

1999年是NIST F-l年。它的精度達到了其前身NIST-7的3倍，後者是由NIST的研究員斯蒂夫·傑弗斯和道恩·米克霍夫研製的。NIST F-l被稱為“噴泉鍾”，因為銫原子被高高頂起，正像垂直噴射的水流。這種運動可以使頻率的計算更加精確。一切始於由銫原子組成的氣體，銫被引人到鐘的真空室中。6束紅外線激光束對準這種氣體，這樣，氣體將呈球狀。在這個過程中，由於激光放慢了原子的運動速度，氣體的溫度因此降低，接近於絕對零度(-273·15C)。

一束激光垂直向上，把“氣球”推向上方。在上升過程中，氣體穿過一個充滿微波的腔：穿過這個裝置后原子就充滿了能量。在重力的影響下，氣球開始向下墜落，再次穿過微波腔。一旦原子同微波再次發生相互作用，一些原子就會發現充入其中的能量己被掏空了。腔中的微波好像擠海綿一樣，把浸滿能量的原子球“擠幹了”。事實上，受微波刺激，銫原子開始振動，這樣就釋放 出電磁波，這些電磁波的能量 等同於第一次穿過微波腔期間 所吸收的微波的能量。鑒於釋 放能量的原子的數目越多，頻 率計算就更精確 (因而秒的定 義就更精確)，因此，製作的 裝置應滿足的要求是，在從微波腔出來時釋放數目要最多。為了得到這一點，必須具有適當頻率的微波才能使銫原子吸入能量，也就是說相當於銫所謂的“固有”頻率。這個過程被多次重複，當銫原子每次向上“噴射”時，微波 頻率就會被輕微地調整，直到 這些微波成為一個具有適當頻 率的“能量池”。

當銫原子氣再從微波腔 出來時，就會被另一束激光撞 擊：激光從銫原子中“擠”出光能量，當在微波腔中的微波達到銫原子的固有頻率時，這種能量的釋放達到最大，也就是電磁輻射最強。

在銫133固有頻率的基礎上，總部位於巴黎的國際標準局保存了正式定義秒的官方文件：秒是銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的持續時間。

激光器問世后，人們把這種原理應用於紅外和可見光頻段，製成光頻標。光的頻率比微波頻率高几萬倍，因此，光頻標的相對穩定度和準確度都相應提高。光頻標通常利用腔內飽和吸收技術。以工作在 633納米的碘穩定氦氖激光器為例，其原理如圖。由於碘在 633納米附近有豐富的吸收譜線，根據飽和吸收原理，在激光輸出功率的調諧曲線上會出現許多窄共振峰。通過電子控制迴路，可以把激光頻率鎖定在某一共振峰的中心頻率上。控制元件是固定在腔反射鏡后的壓電晶體。當激光頻率偏離共振峰中心時便產生誤差信號，這一信號經處理後用於控制腔長，使頻率鎖定到峰的中心位置上。這樣製成的光頻標，頻率穩定度和復現性都在10-11量級。此後，又發展了腔外吸收穩頻技術，使光頻標的頻率穩定度和復現性進一步提高，可達10-13量級。

因此，不久的將來，噴泉鍾或光頻標完全有可能取代目前的微波頻標，成為新一代的時間頻率基準。