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2018年5月20日是第19个世界计量日(专栏2)

时间单位“秒”的演进

2018年世界计量日活动的主题是“国际单位制(SI)的量子化演进”,时间单位“秒”是国际单位制七个基本单位(时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”)之一,中国计量科学研究院时间频率方面的专家林弋戈、梁坤、方占军等对时间单位“秒”的演进进行了解读。

斗转星移,四季更替。宇宙中一切物质的起源和消失,地球上一切生命的诞生和灭亡,人类间一切活动的开始和结束,都和时间紧密联系在一起。那么,世界这么大,大家的时间是如何统一的呢?


秒定义和原子时的由来

人类对时间的认识,总的来说,经历了一个从天文时、世界标准时到原子时的过程。

自古以来,人类通过对日月星辰的观察,将1小时分为60分钟,1分钟又分为60秒,也就是一天为86400秒,从而得到了秒长,也称为天文时。

到了工业革命初期,世界各地的时间还没有统一的标准,导致火车剐蹭与相撞事故时有发生。随着铁轨、电报大规模建设,人们对时间误差的容忍度越来越低。1884年10月13日,格林尼治时间正式被采用为国际标准时间。1937年,国际天文学会议提出了格林尼治时间的精确版——世界标准时(UT)。

可是此后天文学家发现地球自转和公转运动的周期不是恒定不变的,而是时快时慢。如果地球转速不同,“一天”的长度就不同,“一秒”的长度也不同。随着量子物理学的建立,科学家认识到原子内电子能级间的特征跃迁频率,具有比天文现象高得多的稳定度,更不易受到外界的干扰,更适用于作为时间标准。

1955年,世界第一台铯原子钟诞生。1961年,国际计量委员会就提议采用铯原子基态跃迁作为秒定义的候选。到1967年,第13届国际计量大会通过了基于铯原子跃迁的新的秒定义,即铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。

至此,“原子秒”取代了“天文秒”。这是现代计量史上具有划时代意义的重大事件。


秒重新定义将带来重大影响

近年来,光钟的研究越来越多地进入人们的视野。国际上从20世纪70年代末就开始了光钟的研究,进入21世纪以来,在激光冷却和飞秒光梳技术的推动下,光钟研究得到了快速发展,在光钟的研究过程中产生了两项诺贝尔物理奖。理论上,光钟的不确定度能达到甚至超过10-18量级,优于铯喷泉钟两个数量级。2015年,时间频率咨询委员会(CCTF)给出了修改秒定义的路线图,并提出(2025-2028)年,秒定义可能会基于光钟而再次修改。

随着秒定义的量子化,“时间”成为准确度最高、应用最广的物理量,其不确定度远远低于其他基本单位数个量级,使得时间单位“秒”成为国际单位制7个基本单位中最准确和最基础的。秒定义的量子化直接改变了长度基本单位米(m)的定义,目前米定义依赖于秒定义和光速(基本常数)导出;电学重要单位伏特(V)直接以频率定义;许多其他物理量,如距离、位移、加速度、温度、力等转化为时间频率来测量可提高测量准确度。这使得在计量领域,时间频率计量成为保证许多测量量值准确可靠的基础。可以说,原子时诞生50年来,打开了国际单位制(SI)量子化的大门。因此,秒重新定义后,也将影响国际单位制中的其他基本单位,由此产生的重大影响引发了国际的普遍关注。

原子秒确立后,使得时间频率测量可应用到许多高技术领域,如卫星导航、通信、电力、交通、金融等。时间频率是电网精确同步、金融交易、电子商务等准确可靠的保障。

受益于基于原子钟的时间同步技术的发展,目前我国电网运行需要时间同步水平达到1μs;采用5G技术的通信基站之间的时间同步准确度达到100ns,使得一部电影的下载从几天缩短到几十秒;我国未来5G网络中,各基站间要求时间同步水平达到几十纳秒。金融市场的时间同步目前我国没用明确的条文约定。在欧美,金融市场时间需要同步到协调世界时(UTC),同步水平最高要求1μs,微小的时间延迟可能意味着巨大的损失。电力系统中,可通过精密计时快速诊断故障所在位置。此外,精密时间频率计量给众多行业带来了巨大的变化,如网约车、共享单车、无人驾驶汽车等互联网经济模式,通过手机应用实现准确定位。这些需求都由精密时间频率量值及其测量实现。

目前,时间频率最典型的应用就是卫星导航定位产业。

利用导航卫星进行定位时,会受到各种各样因素的影响,主要误差来源可分为三类:与导航卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。其中与导航卫星有关的误差中,卫星钟差——即卫星上原子钟的钟面时与标准时间的差别,是非常重要的一项误差源。

每个导航卫星连续不断地发播时间信息,精确的轨道信息(星历)等。接收机通过测量信号的传送时间,计算出每颗卫星的距离。距离等于时间乘光速,因为光速很快,非常小的卫星信号时间差就会导致测量上的巨大误差。1米的导航准确度要求所有卫星上星载钟的时间同步在3ns之内。

正是由于精密时间频率测量,才构造出当今世界人类处处依赖的定位准确度可达几米乃至几毫米的卫星导航定位系统及其相关技术。目前,国际上主要发展了4种各自独立的卫星定位系统:美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)系统、欧洲的伽利略(GALILEO)系统和中国的北斗(BDS)系统。

前型率光钟的研究越来越多地进入人们的视野。其实在卫星定位系统中,卫星是实现定位导航的载体,真正实现定位导航功能的是搭载在卫星上的星载原子钟及地面上对星载原子钟实施校准的地面基准钟。所有的星载钟需要地面守时钟组产生的时标定期校准以保证其准确度。提高定位准确度可以通过提高校准频率或者提高星载钟的稳定度实现。我国独立自主建立的北斗卫星导航系统,带动了时间频率产业的发展。与北斗相配套的各类原子钟,包括星载铷钟、守时氢钟、守时铯钟和地面喷泉基准钟等,其稳定度、不确定度指标和可靠性得到了快速的提升,未来星载原子钟的频率稳定度优于5×10-14/天。各种配套北斗终端、接收机、导航仪、芯片产业都快速兴起,我国的北斗产业向着知识密集型的方向发展,促进了国民经济的健康快速发展。北斗导航系统大大促进了我国军队的现代化,改变了我国军队定位授时严重依赖GPS的尴尬局面,使得我国部队战斗力更加强大还不会受制于人。

目前,基于光频量子跃迁的原子光钟的不确定度有望超过10-18量级。正在开展的实际应用,是用可移动的光钟和光纤时频传递网络来进行厘米量级的大地水准测量。在“原子秒”定义修改以来的50年间,秒定义复现的不确定度指标提高了6个数量级。对未来修改秒定义,科学家目前还无法充分预期这种修改会对社会生产和生活带来多大的影响,但是可以肯定的是,这会打开各种可能性,使得我们原来不敢想的事情变为现实。



我国为应对秒定义开展的时间频率研究

中国计量科学研究院从20世纪60年代便开始时间频率基准的研制。从热束型铯基准钟,到激光冷却铯原子喷泉钟,再到锶原子光晶格钟,几代人的不懈努力与传承,逐步扎实地掌握了时间频率基准研制的核心技术,在时间频率计量领域始终紧跟国际前沿,以最成熟的技术和思想构建国家最高精度的时间频率基准。

2010年,中国计量科学研究院研制的第二型NIM5铯喷泉钟实现了1.5×10-15相对频率不确定度,相当于2000万年不差一秒,创造了准连续运行率99.2%的世界最高水平。2014年,NIM5铯喷泉钟被接收为国际计量局认可的基准钟之一,参与驾驭国际原子时(TAI)。这标志着我国继法、美、德、意、日、英、俄7国之后,成为国际计量局认可的参与修正国际原子时的国家,也意味着我国在国际原子时合作中,第一次拥有了“表决权”。

与NIM5同步研制的NIM5-M铯喷泉钟于2009年9月交付卫星定位中心实验室,不确定度达5×10-15。中国计量科学研究院在国际上首次利用铯喷泉钟直接驾驭氢钟产生中国计量科学研究院原子时TA-c(NIM)的实验获得了很大的成功。单台喷泉钟驾驭单台氢钟的原子时不确定度优于6×10-15。这个实验开辟了全新的实验室守时新方案,对中国时标的发展具有重要意义。

现在,中国计量科学研究院国家时间频率计量中心保存的我国国家秒长基准——激光冷却铯原子喷泉钟NIM5和国家时标基准UTC(NIM),共同构成中国的时间频率基准。这是我国时间频率计量体系的源头,其基本作用就是保持时间的连续运行,产生和保持高度准确、稳定的国家统一使用的标准时间——北京时间,同时产生高度准确的频率值,用于国内的量值传递。

目前,中国计量科学研究院正在进行新一代铯原子喷泉钟NIM6的研制。而从2006年开始,该院已着手研制锶原子光晶格钟。2015年,锶原子光晶格钟不确定度达到2.3×10-16,相当于1.3亿年不差一秒,成为我国第一台基于中性原子的光钟。

(南充市计量测试研究所供稿)

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