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，人類間一切活動的開始和結(jié)束，都和時間緊密聯(lián)系在一起。那么，世界這么大，大家的時間是如何統(tǒng)一的呢？

人類對時間的認(rèn)識，總的來說，經(jīng)歷了一個從天文時、世界標(biāo)準(zhǔn)時到原子時的過程。

自古以來，人類通過對日月星辰的觀察，將1小時分為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，也稱為天文時。

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

可是此后天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的周期不是恒定不變的，而是時快時慢。如果地球轉(zhuǎn)速不同，“一天”的長度就不同，“一秒”的長度也不同。隨著量子物理學(xué)的建立，科學(xué)家認(rèn)識到：原子內(nèi)電子能級間的特征躍遷頻率，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，更適用于作為時間標(biāo)準(zhǔn)。

1955年，世界第一臺銫原子鐘誕生。1961年，國際計量委員會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屆國際計量大會通過了基于銫原子躍遷的新的秒定義，即：銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間。至此，“原子秒”取代了“天文秒”。這是現(xiàn)代計量史上具有劃時代意義的重大事件。

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

隨著秒定義的量子化，“時間”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)個量級，使得時間單位“秒”成為國際單位制7個基本單位中最準(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)化為時間頻率來測量可提高測量準(zhǔn)確度。這使得在計量領(lǐng)域，時間頻率計量成為保證許多測量量準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)?？梢哉f，原子時誕生50年來，打開了國際單位制（SI）量子化的大門。因此，秒重新定義后，也將影響國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)了國際的普遍關(guān)注。

原子秒確立后，使得時間頻率測量可應(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間同步技術(shù)的發(fā)展，目前我國電網(wǎng)運行需要時間同步水平達(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；我國未來5G網(wǎng)絡(luò)中，各基站間要求時間同步水平達(dá)到幾十ns。金融市場的時間同步目前我國沒用明確的條文約定。在歐美，金融市場時間需要同步到UTC，同步水平最高要求1 μs，微小的時間延遲可能意味著巨大的損失。電力系統(tǒng)中，可通過精密計時快速診斷故障所在位置。此外，精密時間頻率計量給眾多行業(yè)帶來了巨大的變化，如網(wǎng)約車、共享單車、無人駕駛汽車等互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)模式，通過手機應(yīng)用實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。這些需求都由精密時間頻率量值及其測量實現(xiàn)。

目前，時間頻率最典型的應(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，會受到各種各樣因素的影響，主要誤差來源可分為三類：與導(dǎo)航衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號傳播有關(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與標(biāo)準(zhǔn)時間的差別，是非常重要的一項誤差源。

每個導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)播時間信息，精確的軌道信息（星歷）等。接收機通過測量信號的傳送時間，計算出每顆衛(wèi)星的距離。距離等于時間乘光速，因為光速很快，非常小的衛(wèi)星信號時間差就會導(dǎo)致測量上的巨大誤差。1米的導(dǎo)航精度要求所有衛(wèi)星上星載鐘的時間同步在3 ns之內(nèi)。

正是由于精密時間頻率測量，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，國際上主要發(fā)展了4種各自獨立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)：美國的全球定位系統(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)和中國的北斗（BDS）系統(tǒng)。

前型率光鐘的研究越來越多的進(jìn)入人們的視野。其實在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，衛(wèi)星是實現(xiàn)定位導(dǎo)航的載體，真正實現(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星載原子鐘實施校準(zhǔn)的地面基準(zhǔn)鐘。所有的星載鐘需要地面守時鐘組產(chǎn)生的時標(biāo)定期校準(zhǔn)以保證其準(zhǔn)確度。提高定位精度可以通過提高校準(zhǔn)頻率或者提高星載鐘的穩(wěn)定度實現(xiàn)。我國獨立自主建立的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，帶動了時間頻率產(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、守時氫鐘、守時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、導(dǎo)航儀、芯片產(chǎn)業(yè)都快速興起，我國的北斗產(chǎn)業(yè)向著知識密集型的方向發(fā)展，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的健康快速發(fā)展。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)大大促進(jìn)了我國軍隊的現(xiàn)代化，改變了我國軍隊定位授時嚴(yán)重依賴GPS的尷尬局面，使得我國部隊?wèi)?zhàn)斗力更加強大還不會受制于人。

目前，基于光頻量子躍遷的原子光鐘的不確定度有望超過10-18量級。正在開展的實際應(yīng)用，是用可移動的光鐘和光纖時頻傳遞網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行厘米量級的大地水準(zhǔn)測量。在“原子秒”定義修改以來的50年間，秒定義復(fù)現(xiàn)的不確定度指標(biāo)提高了6個數(shù)量級。對未來修改秒定義，科學(xué)家目前還無法充分預(yù)期這種修改會對社會生產(chǎn)和生活帶來多大的影響，但是可以肯定的是，這會打開各種可能性，使得我們原來不敢想的事情變?yōu)楝F(xiàn)實。

中國計量科學(xué)研究院從20世紀(jì)60年代便開始時間頻率基準(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，逐步扎實地掌握了時間頻率基準(zhǔn)研制的核心技術(shù)，在時間頻率計量領(lǐng)域始終緊跟國際前沿，以最成熟的技術(shù)和思想構(gòu)建國家最高精度的時間頻率基準(zhǔn)。

2010年，中國計量科學(xué)研究院研制的第二型NIM5銫噴泉鐘實現(xiàn)了1.5×10^-15相對頻率不確定度，相當(dāng)于2000萬年不差一秒，創(chuàng)造了準(zhǔn)連續(xù)運行率99.2%的世界最高水平。2014年，NIM5銫噴泉鐘被接收為國際計量局認(rèn)可的基準(zhǔn)鐘之一，參與駕馭國際原子時（TAI）。這標(biāo)志著我國繼法、美、德、意、日、英、俄7國之后，成為國際計量局認(rèn)可的參與修正國際原子時的國家，也意味著我國在國際原子時合作中，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)星定位中心實驗室，不確定度達(dá)5×10^-15。中國計量科學(xué)研究院在國際上首次利用銫噴泉鐘直接駕馭氫鐘產(chǎn)生中國計量科學(xué)研究院原子時TA-c(NIM)的實驗獲得了很大的成功。單臺噴泉鐘駕馭單臺氫鐘的原子時不確定度優(yōu)于6×10^-15。這個實驗開辟了全新的實驗室守時新方案，對中國時標(biāo)的發(fā)展具有重要意義。

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

目前，中國計量科學(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年開始，我院已著手開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，成為我國第一臺基于中性原子的光鐘。