第12章 时间的趣话(5)
但是在微观世界里，情况却恰恰相反，有许多东西是完全相同的。你不可能把一个电子同另一个电子区别开来，也不可能找出同一种元素的原子之间有什么不同。这不是因为测量仪器粗疏，而是它们的确完全相同，原则上无法把它们区别开采。
人们已经认识了微观世界里的分子、原子、原子核、基本粒子……它们小到10-13厘米，我们用肉眼是无论如何也看不到它们的。
原子虽然很小，但它内部却是一个复杂的世界。每个原子都有一个原子核，核外分层排布着高速运转的电子。当原子（或分子）受到x射线或其他电磁辐射时，它的轨道电子可以从一个位置跳到另一个位置（物理学上称此为“跃迁”），还可以改变方向，或者像弹簧拉着的小球那样不住地跳动。跃迁时，原子将吸收或释放出一定能量的电磁波。这类电磁波在本质上同单摆一样，也是一种周期运动，只是它振动的周期更短（每秒钟竟能达几十亿次）、更精确、更稳定罢了。
既然如此，我们能不能像制造摆钟那样，把原子套到时钟上，利用它的振荡做出原子钟呢？
这是20世纪初期物理学家们热烈讨论的课题。1927年，伟大的生物学家、进化论发现者达尔文的后代G·达尔文第一个从理论上探讨了这个问题，接着，美国物理学家弗浦斯和佛里奇等人进行了试验。1936年，哥伦比亚大学的拉比教授根据这些实验提出了获得原子跃迁振荡频率的基本理论和方法，初步显示出利用原子振荡频率控制时钟的可能性。遗憾的是，这些实验和研究由于第二次世界大战的影响中断了数年。
二次大战后，有关的实验和研究工作迅速恢复和发展。1949年，美国国家标准局首先利用氨分子跃迁做出了氨分子钟。5年以后，英国皇家物理实验室终于把铯原子套到了时钟上，做成世界上第一架铯原子钟。此后，其他类型的原子钟相继问世，其中主要有氢原子钟和铷原子钟。由原子钟给出的时间叫原子时，专业书上记为AT，它是英文名称Atomic Time的缩写。
新的挑战宇宙是无穷无尽的，人们对于它的认识不会停留在一个水平上。同其他任何一个学科领域一样，时间计量科学也随科学技术的进步而不断地向前发展着。
事实上，在原子钟取得定义时间的统治地位以后，时间工作者并未因此而满足、止步。
他们在进一步改善现有原子钟各项性能指标的同时，又积极探索新的计时标准，开始了新的“长征”。
根据当前实验室工作和理论分析提出的新原理、新方法主要有：利用铊元素研制铊原子钟，利用镁或钙的亚毫米束研制镁或钙原子钟，利用离子的特殊结构研制“离子钟”，利用激光频率标准研制“光子钟”。
在这些新探索中，光子钟具有很大潜力，它正向铯原子钟提出挑战。
我们知道，光本身也是一种电磁波。它的频率比无线电波段的频率要高得多。按照理论分析，激光频率的稳定度要比铯标准高3个数量级，用它做成光子钟，时间计量精度又可以在目前的水平上再提高1000倍。这又将是一次重大的变革。
当然，实现这场变革的困难是很多的。但是，科学家从来不惧怕科学实验中的困难，他们也从来不会绕开困难走。“科学有险阻，苦战能过关。”目前，他们正在埋头苦干，实验室的试验已经取得了初步成果，变革的曙光已经露出地平线。
实现这场变革以后会产生一些什么结果，它将给计量科学带来怎样的影响？在光子钟做成之前，我们还难以作出详尽的具体的描述，但是，我们可以从理论上推测它可能提出的新问题。
我们知道，时间、长度和质量是三个基本物理量，其他物理量，例如速度、温度、照度、电压、功率等，都可以通过这3个基本量导出。比如速度，它就是由长度和时间导出的：
速度=距离时间。
如果激光时间标准取得成功，它首先会动摇长度标准——米的定义。
米是世界各国使用比较广泛，而且也是比较先进的计量长度的单位。1米的长度是指法国巴黎所在经圈上一个象限（90°）的子午线长度的1000万分之一。最初，人们用高硬度和抗氧化的铂铱合金做成所谓“米原器”来保持米的标准长度。这种合金的膨胀系数虽然很小（约为8.75×10-6／℃），但不能保证其长度不随时间而变化。从1960年起，国际上决定用氪（Kr86）的一条发射线波长AL来定义米，即1米=1650763.73λk就是说，用波长的倍数来表示米的长度。用这种方法确定米长，精度约为10-8量级，即两次测量之间的误差约为0.01微米。
但是，频率测量的精度目前已经提高到10-13以上。这里就提出一个亟待解决的问题：
波长和频率通过光速相互，联系着，光速c等于波长与频率f的乘积，c=f，这样，光速的精度就受到波长标准的限制。因此，近年来国际上正在酝酿要不要重新定义光速。如果重新定义光速，那么米就伞不再是独立的计量单位，它将通过光速与秒定义统一起来。这样，三大基本量就会变成为“两大基本量”。
另外，其他一些导出单位也可能随之取决于时间。例如电压测量就可能是这样。
目前，电气工程师用“标准电池”测量电压，精度在10-5～10-6量级。
但是我们知道，交流电的频率f与电压V的关系是：
f=2eV/h这里e代表电子的电荷，h是一个常数，叫普朗克常数。选取适当的比值e／h，就可以把电压测量转化为频率测量，即转化为时间的测量，因为时间和频率互为倒数。
激光时间标准所具有的巨大潜力已引起世界各国的普遍重视，包括我国在内的许多国家的研究工作正在取得进展，时间计量史上的又一个里程碑已经开始破土奠基。我们热切期待着我国时间工作者为它早日揭幕做出较大的贡献。
百万分之一秒的用途在现代社会的日常生活中，时间精确到秒已经足够了。我们从未发现有哪个民航机场会把班机起飞时间定在几时几分几秒点几几，也没看到有哪个学校会把学生上课、下学的时间作类似规定。即使是最新式的现代电子手表，它给出的时间也只到秒为止。那么，科学家们为什么要把时间测得那样准，要精确到万分之一秒、百万分之一秒，甚至亿分之一秒呢？难道他们真的是一些嗜奇的怪人？
完全不是！
科学家最讲究效益。如果生产实践和科学研究没有需要，他们绝对不会去耗费自己的精力，浪费光阴和社会财富。
一般说来，人的时间反应大约为十分之几秒，从反应时间到开始执行某种动作，大约要隔几秒钟。因此在日常生活中，人们对小于秒的时间，要求并不迫切。
但是，在生产活动和科学研究中，情况则完全不同。
最简单的例于是百米赛跑。在现代运动水平上，有时准确到十分之一秒还难决雌雄，必须准确到百分之一秒才能选出优胜者。
另一个例子是对于雷电的研究。雷电是大家熟悉的一种自然现象。在炎热的夏天，突然狂风大作，乌云翻滚，雷雨交加。撕破长空的闪电，震耳欲聋的雷声，往往摧毁房屋、桥梁，毁坏森林、堤坝，甚至带来人身伤亡事故。在过去，有些人常常把这种自然现象说成是雷公显灵、惩罚人间。后来，美国科学家富兰克林在一次雷雨中放出一个风筝，从云层中引出电火花，才打破了关于雷电的迷信传说。但是，在富兰克林之后的差不多两个世纪里，没有一个人真正知道闪电划过天空时究竟发生了一些什么事情。其原因就在于时间测量精度不高，人们难以分辨雷电发生的过程。现在我们知道，每次雷电都有一个“主雷区”，它发出沉闷的先导雷声，然后在云层中分叉、放电，划出闪光传向地面，每一过程所经历的时间都不到万分之一秒。如果时间测量精确不到万分之一秒，人们就很难研究雷电的全过程，也不可能找到今天这样避免雷击的方法。
再如研究爆炸过程。开山劈路要炸药，保卫国家独立、安全要拥有各种武器，其中常规武器也要用炸药。炸药的爆炸过程很快，甘油炸药或黄色炸药（TNT），其爆炸发生在百万分之一秒（微秒）的短时间里；现代鱼雷用一种高速炸药引爆，从引爆到爆炸只要20多个微秒。
化学家和国防技术人员要试验和记录各种物质的爆炸速度，没有精确到百万分之一秒的时间测量，他们不仅不能找到有效的爆炸物质，而且有时连他们的生命也难以保全。
至于宇宙航行，它对时间的要求就更高。飞船或卫星的发射、人轨、制导、重返大气层、安全回收或着陆，每一过程都需要有精密的时间测量。从发射场、飞行控制中心，到回收监视区域，都需要有专门控制时间的系统——时间统一服务系统——给各个部位提供高精度的时间信号，以保证发射成功。据说，美国发射的第二艘载人飞行的“水星”号飞船，在返回地面前，由于飞船姿态控制系统出了毛病，宇航员改用手动控制，这样使制动火箭的点火时间稍晚了一些，结果飞船就离开正常轨道20几度，偏离预定着陆点近枷千米，险些酿成危险。
比这更短的时间测量，发生在神奇的核物理学领域。物理学家发现，亚原子（比原子更小）微粒的运动速度接近光速，其寿命特别短，只有几亿分一秒。有位德国科学家说他发现了第109号新元素。这种新元素（尚未命名）的寿命只有亿分之一秒。可以设想，如果没有高精度的原子钟，人们便难以研究物质的微观变化特性，也不会有新元素的发现。
科学家们还预言，某些介子的寿命比这还短，大约只有0.14×10-25秒。这大概是人类近期内将要遇到的最短的时间测量。
准确时间的传递
我们已经能够通过天文观测获得准确的时间了，并把它保存在原子钟里。但这还不够，还必须能够把准确的时间尽可能在保持原有精度的情况下送给用户。
时间服务系统的工作人员服务态度是相当好的，他们总是想方设法把时间信号准确地传送到各个用户。这一过程叫作准确时间的传递，或者称为“授时”、“报时”。而用户对于天文台来说就是“对时”或“时间同步”。
声音报时从古到今，传递时间信号的方法多种多样。起初，时间信号的传递总是用机械的、声的和光的方法来完成。例如，古代曾用击鼓和鸣炮来报时；有的钟在整点时就打点，是几点便敲几下，人们一听就知道是几点钟了。现在北京火车站的钟，在整点时奏出优美动听的东方红乐曲，这也是用声音报时延用到现在的一个例子。
落球报时落球——另一种报时的方法。1884年，徐家汇天文台在上海外滩建立了一个落球报时讯号站，停泊在水中的船只，很注意讯号站的一个特制的竿子。每到中午12点，这个竿子上的球就落下来了，表示当时的时间是中午12点。这就是所谓“落球报时”。这个讯号站在晚上还用灯光报时，停泊的船只看见灯光的闪烁，就知道已经是晚上9点钟了。
这些机械的、声音的和光的报时方法，精度都比较低；最高的报时精度是0.1秒。所以它们只能应用于一些精度要求不高的场合，而且使用面也很小，不超过人的听觉和视觉范围。
飞机对时还有一种方法是用飞机将时间频率标准带到需要的地方去。比如，将校对好的原子钟装上飞机，飞到需要校准时间的地方的上空，用无线电通知用户并进行对时。这种方法通常叫“搬运钟”法，或称“飞机过顶”。
其实飞机过顶对时和我们平时对表差不多，只不过是对时精度很高，可达±1×10-6秒以上。这是微秒级时间同步的主要方法之一，这种方法所用的仪器少，精度较高，对时所用的时间也短。但比较麻烦，需要长途的飞机运输。
远距离定位法比较方便的方法是采用“罗兰-C系统”授时。罗兰-C是一个翻译名词，它的原意是“远距离定位”。罗兰-C系统本来是“远程精密导航系统”，为飞机、船舶、舰艇提供精确的导航，在超过1800千米的距离上，罗兰-C系统能为用户提供50米左右的定位精度。罗兰-C系统本身就使用原子钟，只要将罗兰-C主台的铯钟与天文台的原子钟同步在协调世界时上，各副台再与主台同步，即可用罗兰-C系统授时。因为这一系统不需要增加什么设备就能授时，所以这种授时办法比较经济。目前，罗兰-C系统能对协调世界时UTC保持±15微秒的时间同步。
利用广播系统进行时间传递，即经济又实惠，用户相当广泛。广播电台每逢整点时，都以特定的音响来报告时间，正像本书开头所描述的那样。这实际上也是一种高频授时。解调以后的信号用声音发出，我们听到以后，用手拨动表针对时。由于这种对时没有用特制的仪器，只靠听觉和手的动作，所以精度较低，只能精确到0.1秒。但这对我们的日常生活和工作来说是足够的了，因此，这种对时仍起着重要的作用。
电视报时随着电视的普及和电视技术的发展，人们开始利用电视系统授时。1962年，捷克境内沿电视微波传输线传播时间信号，回路长800千米，秒脉冲的时间变化不超过1微秒。电视同步方法向样经济实惠，不用另建一套发射、接收系统就能对时。对时精度也比较高，在视线范围内约为50毫微秒，在视线范围外约为0.5微秒。当然，由于电视微波传输线的线路不同，各种因素对传播时间的延误不同，均需通过实验来校正。
人造卫星报时现在可以成功地发射人造地球卫星了，使卫星按着地球自转的速度运行，这就是“同步卫星”。同步卫星正在帮助人们做越来越多的工作：在全球范围内传送广播、电视、电话、电报，进行无线电传真、数字通讯……我们坐在家里就能听到或看到世界各地所发生的重要事情。利用卫星也可以实现时间同步。第一次卫星对时实验是在1962年8月进行的，通过卫星，把美国华盛顿的原子钟与英国格林威治天文台的原子钟校准到1微秒左右。利用卫星还可以实现全球时间同步，只要等距离地发射3个同步卫星，就可以覆盖整个地球表面了。在地面上设置必要的接收设备——“卫星地面站”，就可以实现全球的时间同步。
为了得到人们所需要的准确时间，要经过复杂的测时、守时、授时等步骤。世界各国对这一工作都很重视，在国际上设有专门的机构——国际时间局，在各国也都有天文台和各级计量局来从事这一工作。
时间到底是什么
时间在直观上是明显的，但在逻辑上很难确定。它犹如奔腾的江河，川流不息，一往无前，但又像相对论所描述的那样玄妙不可思议。
时间的这种奇怪特性驱使古往今来的许多人对它作出了种种推断和猜测，在差不多每一个时代，哲学家和自然科学家都曾反复思考过它谜一般的性质。宗教信仰和科学态度坚定的两种人，都曾力图解释时间究竟是什么，以及它走向何方。