时间测量简史：从日晷到单离子时钟
时间测量简史：从日晷到单离子时钟
从古代的日晷到现代的原子钟，人类对时间的测量精度不断提升。最近，德国科学家研发出一种新型单离子时钟，其精度达到了惊人的3 x 10^-18，比目前最精准的铯原子钟还要高出100倍。这一突破可能迫使我们重新定义“秒”的概念。
时间的测量历史
早期人类通过观察自然现象，如日落、日出、月相和季节变化，开始了对时间的感知。这些自然周期成为最早的时间测量单位。
古代文明，尤其是巴比伦、埃及、印度和中国的天文学家，通过观察星体运动和建造天文观测仪器，开展了对时间的系统测量。例如，日晷、水钟和日历系统的发展。
不同文明制定了各种日历系统，以便更准确地测量时间。埃及的太阳历、巴比伦的月亮历、罗马的儒略历等都是历史上重要的日历系统。
中世纪，机械时钟的发明对时间的测量和记录起到了重要作用。最早的机械时钟出现在欧洲修道院，后来在城市和教堂中广泛使用。
在文艺复兴时期，天文钟和天文台的建设进一步提高了时间测量的精度。天文学家通过观测星体位置来精确测量时间。
19世纪中期，随着铁路和全球交通的发展，对于准确的时间测量需求增加。1851年，格林尼治天文台在伦敦建立，成为国际时间的基准点，标志着全球标准时间的开始。
20世纪中叶，原子钟的发明推动了时间测量的准确性。铯原子钟和氢原子钟成为目前国际上使用的标准，其稳定性和准确性高于任何机械时钟。
全球卫星导航系统（如GPS）的建立使得全球范围内的时间同步成为可能。这些系统依赖于原子钟的高精度，为现代科技和日常生活提供了准确的时间信息。
时间“秒”的定义-原子钟
世界上最精确的时钟之一是由美国的国家标准与技术研究院（NIST）维护的气体原子钟。这个时钟基于铯原子的振荡频率，被称为铯原子钟。铯原子钟的工作原理涉及到铯原子的两个能级之间的跃迁频率，这个频率被定义为国际单位制（SI）中的秒。
NIST的铯原子钟的不确定度极小，可以在数百万年内只有一秒的误差。然而，即使是这样的原子钟，也还不是绝对精确的，因为它们仍然受到一些因素的影响，比如外部的磁场或温度变化。
要了解单离子时钟，您必须了解其前身原子钟。科学家们花了很多时间观察原子。他们发现，原子的电子从原子的能级跃迁到其他能级时，它们会做很多可预测和可检测的事情（还记得您必须在学校学的那些电子云能级跃迁吗？）。在原子钟中，原子被迫相对静止，然后以已知频率的能量（例如激光或微波）爆炸。电子由于这种能量爆炸而移动，并且时钟对这些移动进行计数。时钟通过将两个已知的事物（电子的行为和能量爆炸的特性）结合起来，找出一个未知的事物（经过了多少时间），从而知道经过了多少时间。
计时的准确性是通过每个“刻度”的长度与每个其他“刻度”的长度匹配的精确度来衡量的。原子钟的计时方式如此精确，以至于我们当前对“秒”的定义来自目前最好的原子钟-铯原子钟。科学家通过他们的系统不确定性水平来测量时钟精度，这是一种错误率。
目前进展
德国Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）的科学家刚刚在《Physical Review Letters》杂志上发表了一篇有关历史上最精确的计时装置的论文。它击败了以前的冠军---原子钟，甚至比原子钟精确很多。实际上，新的单离子时钟非常精确，以至于可能迫使我们重新定义“秒”是什么。
德国人的单离子时钟使原子钟的计时功能更胜一筹。它的系统不确定性是3 x 10^-18。这比铯原子钟好100倍。