斗轉(zhuǎn)星移，四季更替。宇宙中一切物質(zhì)的起源和消失，地球上一切生命的誕生和滅亡，人類間一切活動(dòng)的開(kāi)始和結(jié)束，都和時(shí)間緊密聯(lián)系在一起。那么，世界這么大，大家的時(shí)間是如何統(tǒng)一的呢？

人類對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)，總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了一個(gè)從天文時(shí)、世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)到原子時(shí)的過(guò)程。

自古以來(lái)，人類通過(guò)對(duì)日月星辰的觀察，將1小時(shí)分為60分鐘，1分鐘又分為60秒，也就是一天為86400秒，從而得到了秒長(zhǎng)，也稱為天文時(shí)。

到了工業(yè)革命初期，世界各地的時(shí)間還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致火車刮蹭與相撞事故時(shí)有發(fā)生。隨著鐵軌、電報(bào)大規(guī)模建設(shè)，人們對(duì)時(shí)間誤差的容忍度越來(lái)越低。1884年10月13日，格林尼治時(shí)間正式被采用為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。1937年，國(guó)際天文學(xué)會(huì)議提出了格林尼治時(shí)間的精確版——世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(簡(jiǎn)稱UT)。

可是此后天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期不是恒定不變的，而是時(shí)快時(shí)慢。如果地球轉(zhuǎn)速不同，“一天”的長(zhǎng)度就不同，“一秒”的長(zhǎng)度也不同。隨著量子物理學(xué)的建立，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到：原子內(nèi)電子能級(jí)間的特征躍遷頻率，具有比天文現(xiàn)象高得多的穩(wěn)定度，更不易受到外界的干擾，更適用于作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

1955年，世界第一臺(tái)銫原子鐘誕生。1961年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)就提議采用銫原子基態(tài)躍遷作為秒定義的候選。到1967年，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了基于銫原子躍遷的新的秒定義，即：銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。至此，“原子秒”取代了“天文秒”。這是現(xiàn)代計(jì)量史上具有劃時(shí)代意義的重大事件。

近年來(lái)，光鐘的研究越來(lái)越多地進(jìn)入人們的視野。國(guó)際上從20世紀(jì)70年代末就開(kāi)始了光鐘的研究，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在激光冷卻和飛秒光梳技術(shù)的推動(dòng)下，光鐘研究得到了快速發(fā)展，在光鐘的研究過(guò)程中產(chǎn)生了兩項(xiàng)諾貝爾物理獎(jiǎng)。理論上，光鐘的不確定度能達(dá)到甚至超過(guò)10-18量級(jí)，優(yōu)于銫噴泉鐘兩個(gè)數(shù)量級(jí)。2015年，時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)(CCTF)給出了修改秒定義的路線圖，建議在2025-2028年，秒定義可能會(huì)基于光鐘而再次修改。

隨著秒定義的量子化，“時(shí)間”成為準(zhǔn)確度最高、應(yīng)用最廣的物理量，其不確定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他基本單位數(shù)個(gè)量級(jí)，使得時(shí)間單位“秒”成為國(guó)際單位制7個(gè)基本單位中最準(zhǔn)確和最基礎(chǔ)的。秒定義的量子化直接改變了長(zhǎng)度基本單位米(m)的定義，目前米定義依賴于秒定義和光速（基本常數(shù)）導(dǎo)出；電學(xué)重要單位伏特(V) 直接以頻率定義；許多其它物理量，如距離、位移、加速度、溫度、力等轉(zhuǎn)化為時(shí)間頻率來(lái)測(cè)量可提高測(cè)量準(zhǔn)確度。這使得在計(jì)量領(lǐng)域，時(shí)間頻率計(jì)量成為保證許多測(cè)量量準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)。可以說(shuō)，原子時(shí)誕生50年來(lái)，打開(kāi)了國(guó)際單位制（SI）量子化的大門。因此，秒重新定義后，也將影響國(guó)際單位制中的其他基本單位，由此產(chǎn)生的重大影響引發(fā)了國(guó)際的普遍關(guān)注。

原子秒確立后，使得時(shí)間頻率測(cè)量可應(yīng)用到許多高技術(shù)領(lǐng)域，如衛(wèi)星導(dǎo)航、通訊、電力、交通、金融等。時(shí)間頻率是電網(wǎng)精確同步、金融交易、電子商務(wù)等準(zhǔn)確可靠的保障。

受益于基于原子鐘的時(shí)間同步技術(shù)的發(fā)展，目前我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行需要時(shí)間同步水平達(dá)到1 μs；采用5G技術(shù)的通信基站之間的時(shí)間同步精度達(dá)到100ns，使得一部電影的下載從幾天縮短到幾十s；我國(guó)未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中，各基站間要求時(shí)間同步水平達(dá)到幾十ns。金融市場(chǎng)的時(shí)間同步目前我國(guó)沒(méi)用明確的條文約定。在歐美，金融市場(chǎng)時(shí)間需要同步到UTC，同步水平最高要求1 μs，微小的時(shí)間延遲可能意味著巨大的損失。電力系統(tǒng)中，可通過(guò)精密計(jì)時(shí)快速診斷故障所在位置。此外，精密時(shí)間頻率計(jì)量給眾多行業(yè)帶來(lái)了巨大的變化，如網(wǎng)約車、共享單車、無(wú)人駕駛汽車等互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)模式，通過(guò)手機(jī)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。這些需求都由精密時(shí)間頻率量值及其測(cè)量實(shí)現(xiàn)。

目前，時(shí)間頻率最典型的應(yīng)用就是衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)。

利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行定位時(shí)，會(huì)受到各種各樣因素的影響，主要誤差來(lái)源可分為三類：與導(dǎo)航衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差；與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。其中與導(dǎo)航衛(wèi)星有關(guān)的誤差中，衛(wèi)星鐘差——即衛(wèi)星上原子鐘的鐘面時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別，是非常重要的一項(xiàng)誤差源。

每個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)播時(shí)間信息，精確的軌道信息（星歷）等。接收機(jī)通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳送時(shí)間，計(jì)算出每顆衛(wèi)星的距離。距離等于時(shí)間乘光速，因?yàn)楣馑俸芸?，非常小的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)間差就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量上的巨大誤差。1米的導(dǎo)航精度要求所有衛(wèi)星上星載鐘的時(shí)間同步在3 ns之內(nèi)。

正是由于精密時(shí)間頻率測(cè)量，才構(gòu)造出當(dāng)今世界人類處處依賴的定位精度可達(dá)幾米乃至幾毫米的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)。目前，國(guó)際上主要發(fā)展了4種各自獨(dú)立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)：美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）系統(tǒng)以及歐洲的伽利略（GALILEO）系統(tǒng)和中國(guó)的北斗（BDS）系統(tǒng)。

前型率光鐘的研究越來(lái)越多的進(jìn)入人們的視野。其實(shí)在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，衛(wèi)星是實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的載體，真正實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能的是搭載在衛(wèi)星上的星載原子鐘及地面上對(duì)星載原子鐘實(shí)施校準(zhǔn)的地面基準(zhǔn)鐘。所有的星載鐘需要地面守時(shí)鐘組產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)定期校準(zhǔn)以保證其準(zhǔn)確度。提高定位精度可以通過(guò)提高校準(zhǔn)頻率或者提高星載鐘的穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)。我國(guó)獨(dú)立自主建立的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，帶動(dòng)了時(shí)間頻率產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與北斗相配套的各類原子鐘，包括星載銣鐘、守時(shí)氫鐘、守時(shí)銫鐘和地面噴泉基準(zhǔn)鐘等，其穩(wěn)定度、不確定度指標(biāo)和可靠性得到了快速的提升，未來(lái)星載原子鐘的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10^-14/天。各種配套北斗終端、接收機(jī)、導(dǎo)航儀、芯片產(chǎn)業(yè)都快速興起，我國(guó)的北斗產(chǎn)業(yè)向著知識(shí)密集型的方向發(fā)展，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康快速發(fā)展。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)大大促進(jìn)了我國(guó)軍隊(duì)的現(xiàn)代化，改變了我國(guó)軍隊(duì)定位授時(shí)嚴(yán)重依賴GPS的尷尬局面，使得我國(guó)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力更加強(qiáng)大還不會(huì)受制于人。

目前，基于光頻量子躍遷的原子光鐘的不確定度有望超過(guò)10-18量級(jí)。正在開(kāi)展的實(shí)際應(yīng)用，是用可移動(dòng)的光鐘和光纖時(shí)頻傳遞網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行厘米量級(jí)的大地水準(zhǔn)測(cè)量。在“原子秒”定義修改以來(lái)的50年間，秒定義復(fù)現(xiàn)的不確定度指標(biāo)提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)未來(lái)修改秒定義，科學(xué)家目前還無(wú)法充分預(yù)期這種修改會(huì)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生活帶來(lái)多大的影響，但是可以肯定的是，這會(huì)打開(kāi)各種可能性，使得我們?cè)瓉?lái)不敢想的事情變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院從20世紀(jì)60年代便開(kāi)始時(shí)間頻率基準(zhǔn)的研制。從熱束型銫基準(zhǔn)鐘，到激光冷卻銫原子噴泉鐘，再到鍶原子光晶格鐘，幾代人的不懈努力與傳承，逐步扎實(shí)地掌握了時(shí)間頻率基準(zhǔn)研制的核心技術(shù)，在時(shí)間頻率計(jì)量領(lǐng)域始終緊跟國(guó)際前沿，以最成熟的技術(shù)和思想構(gòu)建國(guó)家最高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。

2010年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的第二型NIM5銫噴泉鐘實(shí)現(xiàn)了1.5×10^-15相對(duì)頻率不確定度，相當(dāng)于2000萬(wàn)年不差一秒，創(chuàng)造了準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行率99.2%的世界最高水平。2014年，NIM5銫噴泉鐘被接收為國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，參與駕馭國(guó)際原子時(shí)（TAI）。這標(biāo)志著我國(guó)繼法、美、德、意、日、英、俄7國(guó)之后，成為國(guó)際計(jì)量局認(rèn)可的參與修正國(guó)際原子時(shí)的國(guó)家，也意味著我國(guó)在國(guó)際原子時(shí)合作中，第一次擁有了“表決權(quán)”。

與NIM5同步研制的NIM5-M的銫噴泉鐘于2009年9月交付衛(wèi)星定位中心實(shí)驗(yàn)室，不確定度達(dá)5×10^-15。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在國(guó)際上首次利用銫噴泉鐘直接駕馭氫鐘產(chǎn)生中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院原子時(shí)TA-c(NIM)的實(shí)驗(yàn)獲得了很大的成功。單臺(tái)噴泉鐘駕馭單臺(tái)氫鐘的原子時(shí)不確定度優(yōu)于6×10^-15。這個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了全新的實(shí)驗(yàn)室守時(shí)新方案，對(duì)中國(guó)時(shí)標(biāo)的發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)在，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量中心保存著我國(guó)的國(guó)家秒長(zhǎng)基準(zhǔn)——激光冷卻銫原子噴泉鐘NIM5和國(guó)家時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)UTC(NIM)，共同構(gòu)成了中國(guó)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。這是我國(guó)時(shí)間頻率計(jì)量體系的源頭，其基本作用就是保持時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生和保持高度準(zhǔn)確、穩(wěn)定的國(guó)家統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——北京時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的頻率值，用于國(guó)內(nèi)的量值傳遞。

目前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院正在進(jìn)行新一代銫原子噴泉鐘NIM6的研制。而從2006年開(kāi)始，我院已著手開(kāi)始研制鍶原子光晶格鐘。2015年，鍶原子光晶格鐘不確定度達(dá)到了2.3×10^-16，相當(dāng)于1.3億年不差一秒，成為我國(guó)第一臺(tái)基于中性原子的光鐘。