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文/陈根
对时间的认识与对时间的计量是一个古老的学科 ， 所谓“四方上下曰宇 ， 往古来今曰宙”就是古人朴素的时空统一观念 。 基于天文时的天文历法一直是文明的一个重要标志 ， 在农耕文明时代里 ， 历法的精度会对社会生活产生重要影响 。 在现代工业时代里 ， 社会学家刘易斯·芒福德（Lewis Mumford）则认为：“现代工业时代的关键机器 ， 是时钟 ， 而不是蒸汽机 。 ”
如果说时钟是工业时代的关键机器 ， 那么在信息时代 ， 它仍然是关键机器 。 如果没有现代时钟 ， 定义信息时代的机器——计算机 ， 就无法存在 。 时钟不仅可以同步人的行为 ， 还可以确定计算机每秒钟执行的数十亿次操作的速度 。 信息时代下 ， 人们对于时钟的精确程度提出了更高的要求 ， 于是 ， 从石英钟到原子钟 ， 一场关于精确的变革也由此展开 。
用原子来测量时间
时钟的准确性 ， 来自于其时间基准 ， 摆钟的时基是钟摆 。
600多年前 ， 伽利略无意间发现当教堂里的吊灯在随风摇摆时 ， 每次来回摆动的时间总是相近的 。 根据伽利略的见解 ， 惠更斯成为制造出第一台高质量摆钟的人 。 1657年 ， 惠更斯设计出的时钟代表了计时技术的巨大飞跃 。 此前 ， 最好的时钟每天跑偏大概15分钟；而惠更斯的时钟 ， 每天的误差仅为10秒 。
不过 ， 尽管在理想条件下 ， 决定摆动时间的唯一两个因素是摆的长度和地球表面的重力加速度 ， 但即使地球非常接近一个完美的球体 ， 即使由于重力而产生的加速度在任何地方几乎都是恒定的 ， 这些微小的差别也可以叠加起来 ， 影响摆钟的精度 。 于是 ， 19世纪中叶 ， 人们在摆钟装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表 ， 使机械钟表的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平 。
而从20世纪30年代开始 ， 随着晶体振荡器的发明 ， 小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟 ， 广泛应用在电子计时器和其他各种计时领域 ， 一直到现在 ， 成为人们日常生活中所使用的主要计时装置 。
与摆钟不同 ， 石英钟的时基是一块小小的石英晶体 。 当电压施加于石英晶体 ， 它将进行高频率物理振动 。 振动的频率取决于许多因素 ， 包括晶体的类型和形状 ， 但通常 ， 石英电子表的石英晶体以32768赫兹的频率振动 。 数字电路会对这些振动计数 ， 记录流逝的每一秒 。 不过 ， 这对于高速发展的信息时代依然不足够 。
现代电子计算机在几千万分之一秒、几亿分之一秒 ， 甚至十几亿分之一秒内要进行计算 。 现代技术需要有一种更精确的国际标准时间：如要有一秒钟误差 ， 用六分仪导航的海员就可能产生1／4英里的偏差；相差1‰秒 ， 宇宙飞船能飞出10米；每一秒钟 ， 电子计算机可运算80万次 。
为了满足信息化对于精确时间的需求 ， 从20世纪40年代开始 ， 时钟制造转向了以原子物理学和射电微波技术的原子钟 ， 原子钟成为世界上最准确的钟——原子内部的电子在跃迁时会辐射出电磁波 ， 而它的跃迁频率是极其稳定的 。 利用这种电磁波来控制电子振荡器 ， 从而控制钟的走时 ， 就是原子钟 。
具体来看 ， 原子 ， 比如铯 ， 有一种共振频率 ， 也就是该频率的电磁辐射将导致它“振动”——振动指的是“绕轨道运行”的电子将跃迁到更高的能量级 。 用9192631770赫兹精确频率的微波辐射刺激 ， 铯133同位素会共振 。 可以说 ， 这一辐射频率就是原子钟的时间基准 ， 而铯原子充当的是校准器的角色 ， 确保频率正确 。 在这样的背景下 ， 1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义：“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间 。 ”
从此 ， 时间的基本单位永久地脱离行星可观察的动力学 ， 进入了单个元素的不可察觉行为的范畴 。 原子钟的准确程度 ， 对惠更斯来说几乎是不可想象的 。 惠更斯的摆钟每天的误差可能达到10秒 ， 而如果一台原子钟在地球形成的45亿年前开始计时 ， 到今天它的误差大概也就不到10秒 。
世界第一架原子钟——氨钟 ， 是美国国家标准局于1949年制成的 ， 这标志着时间计量和导时进入了新纪元 。 随后的十几年中 ， 原子钟技术有了很大发展 ， 先后又制成了铷钟、铯钟、氢钟等 。 到了1992年 ， 原子钟已在世界上普遍使用 。
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