鬥轉星移，四季更替（tì）。宇宙中一切物質的起源和消失，地球上一切生命的誕生（shēng）和滅亡，人類間一切活動的開（kāi）始（shǐ）和結束，都和時間緊密聯係在一起（qǐ）。那麽，世界這（zhè）麽大，大家的時（shí）間（jiān）是如何統一的呢？

人類對時（shí）間的認識，總的來說，經曆了一個從天文時、世界標準時到原（yuán）子時的過（guò）程。

自（zì）古以來，人類通過對日月（yuè）星（xīng）辰的觀察，將1小時分為60分鍾，1分鍾又（yòu）分（fèn）為60秒，也就是一天為86400秒，從（cóng）而得到了秒長，也稱為（wéi）天文時。

到了工業（yè）革命初期，世界各地的時間還沒有統一的標準，導致火車刮蹭與（yǔ）相撞事故時有發生。隨著鐵軌、電報大規模建（jiàn）設（shè），人（rén）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準時間。1937年，國際天文學會議提出了格林尼治時間的精確版——世界標準（zhǔn）時(簡（jiǎn）稱UT)。

可是此後（hòu）天文學家發現地球的自轉和公轉運動的周期不是恒定不變的，而是時快時慢（màn）。如果地球（qiú）轉速不同，“一天”的長度就不同，“一（yī）秒”的長度也（yě）不同。隨著量子物（wù）理學的建立，科學（xué）家認識到：原子內電子能級間的特征躍（yuè）遷頻率，具有比天文現象高得多的穩定度，更不易受到外界（jiè）的幹擾，更適用於作（zuò）為時間標準。

1955年，世界第（dì）一台銫原子鍾誕生。1961年，國際計量（liàng）委員（yuán）會就提議采用銫原子基態躍遷作為秒定（dìng）義（yì）的候選。到1967年，第13屆國際計量大（dà）會通過了基於銫原子（zǐ）躍遷的新的秒定義，即：銫133原子基態（tài）的兩個超精細能階間躍遷（qiān）對應輻射的9,192,631,770個周期（qī）的持續時間。至此，“原子秒（miǎo）”取代了“天文秒”。這是現代（dài）計量史上具有劃時代意義的（de）重大事件。

近年來，光（guāng）鍾（zhōng）的研（yán）究越（yuè）來越多地進入人們的視野。國際上從20世紀70年代末（mò）就開始了光鍾的研究，進入21世紀以來，在激（jī）光冷（lěng）卻和飛秒光梳技術的推動下，光鍾研究得（dé）到了快速發展，在光鍾的研（yán）究過程中產生了兩項諾貝爾物（wù）理獎。理（lǐ）論上，光鍾的不確定（dìng）度能達到甚至（zhì）超過10-18量（liàng）級，優於銫噴泉（quán）鍾兩個數量級。2015年，時間頻率谘詢委員（yuán）會(CCTF)給出了修（xiū）改秒定義的路線圖，建議在（zài）2025-2028年，秒定義可能會（huì）基於（yú）光鍾而再次修改。

隨（suí）著秒定義的量子化，“時（shí）間”成為準確度最高、應用最廣的物理量，其不確定度遠遠低於其他基本單位數個量級，使得時間單位“秒”成為國際單位製7個基本單位中最準確和最基礎的。秒定義的量子化直接改變了長度基本單位米(m)的定義，目前米定義依賴於秒定義和（hé）光速（基本常數）導（dǎo）出；電學重要單位伏（fú）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（děng）轉化為時間頻率來測量可提高測量準確度。這使得在計量（liàng）領域，時間頻率計量成為保證許多測量量準確可靠的基礎。可以說，原子時誕生50年（nián）來，打開了（le）國際單位製（SI）量子化（huà）的大門（mén）。因此，秒（miǎo）重新定義後，也將影響國際（jì）單位（wèi）製中的其他基本單位，由此產生的重大影響引發了國際的普遍關注。

原子秒確立後，使得時間頻率測量（liàng）可應用到許多（duō）高技術領域（yù），如衛（wèi）星導（dǎo）航、通訊、電（diàn）力、交通（tōng）、金（jīn）融等。時間頻率是電（diàn）網精確同步、金融交（jiāo）易、電子商務（wù）等準確可靠的保障。

受益於基於原子鍾（zhōng）的時間同步技術的發展，目前我國電網運行需要（yào）時間（jiān）同步（bù）水平達到1 µs；采用5G技（jì）術的通信基站之間的時（shí）間同步精度達到100ns，使得一部電影的下載從幾天縮短（duǎn）到（dào）幾十s；我國（guó）未來5G網絡中，各基站（zhàn）間要求（qiú）時間同步水平達到幾十ns。金融市場的時間同步目前我國沒用明確（què）的條（tiáo）文約定。在歐美，金融市場時間需要（yào）同（tóng）步到（dào）UTC，同步水平最高要求（qiú）1 µs，微小的時間延遲可能意味（wèi）著巨大的損失。電力係統中，可通過精密計時（shí）快速診斷故障所在位置。此外，精密（mì）時間頻率計量給（gěi）眾多行業帶來了巨大的變（biàn）化，如網約車、共享單車、無人駕駛汽車等互聯（lián）網經濟模式，通過手機應用實現準（zhǔn）確定位。這些需求都由精密（mì）時間頻率（lǜ）量值及其測量實現。

目前，時間頻率（lǜ）最典型的（de）應用就是衛星（xīng）導航定位（wèi）產（chǎn）業。

利用（yòng）導航衛星進（jìn）行定位時，會受到各（gè）種各樣因素的影響，主要（yào）誤差來源可分為三類：與導航衛星有關的誤差；與信號傳播（bō）有關的誤差；與接收設備有（yǒu）關（guān）的（de）誤差。其中與導航衛星有關的誤差中，衛（wèi）星鍾差——即衛星上（shàng）原子鍾的鍾麵時與標準時間的差別，是非常重要的一項誤（wù）差源。

每（měi）個導航衛（wèi）星連續不斷地發播時間信息，精確的軌道（dào）信息（星曆）等。接收機通過測量信號的傳送時間，計算出（chū）每顆衛星的（de）距（jù）離。距離等於時間乘光速，因為光速很快，非常小的衛星信（xìn）號時間差就會導（dǎo）致（zhì）測量上的巨大誤差。1米的導航精度（dù）要求所有衛星（xīng）上星載鍾的時間同步在3 ns之內。

正是由於精密時間頻率測量，才構造出當今世（shì）界（jiè）人類處處依賴的定位精度（dù）可達幾（jǐ）米乃至幾（jǐ）毫米的衛星導航定位係統及其相關技術。目前（qián），國際上主要發展了4種各自獨立的衛星定位係統：美國的全球定位係統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）係統以及歐洲的伽利略（GALILEO）係統和中國的（de）北鬥（BDS）係統（tǒng）。

前型率光鍾的研究越（yuè）來越多的進入人們的（de）視野。其實在衛星定位係統中，衛星是實現（xiàn）定位導（dǎo）航的（de）載（zǎi）體，真正實現定位導（dǎo）航功能的是搭載在衛星上的星載原子鍾及地麵上對星載原子鍾實施校準的地麵基準鍾。所（suǒ）有（yǒu）的星載鍾需要地麵守時（shí）鍾組產生的（de）時標定期校（xiào）準以保證其準確度（dù）。提高定（dìng）位精度可以通過（guò）提高校準頻率或者提高星載鍾的（de）穩定度實現（xiàn）。我國獨立自主建立的北鬥衛（wèi）星導（dǎo）航係統，帶動了時間頻率產（chǎn）業的發展。與北鬥相配套的各類原子鍾，包括星載銣鍾、守時氫鍾、守時銫鍾和地（dì）麵噴泉基準鍾等，其穩定度（dù）、不確定度指標（biāo）和可靠性得到了（le）快（kuài）速的提（tí）升，未來星載原子鍾的頻率穩定度優於5×10^-14/天。各種配套北鬥終端、接收機、導航（háng）儀、芯（xīn）片產業（yè）都快速興起，我國的北（běi）鬥產業向著知識密集型的方（fāng）向發展，促進了國民經濟（jì）的健康快速發展（zhǎn）。北鬥導航（háng）係統大大促進了我國軍（jun1）隊的現代化（huà），改變（biàn）了我國軍隊定位授時嚴重依賴GPS的（de）尷尬局麵，使得我國部隊戰鬥力更加（jiā）強大還不會受製於人。

目前，基於光頻（pín）量子躍遷的原（yuán）子光鍾的不確定度有望超過（guò）10-18量級。正在開展的實際應用，是用可移（yí）動的光鍾和（hé）光纖時頻傳遞網絡來進行厘米量（liàng）級的大地水（shuǐ）準測量。在“原子秒”定義修改以來的（de）50年間，秒定義複現的不確定度指標提高了6個數量級。對未來修改秒定義，科學家目前還無法充分（fèn）預期這（zhè）種修改會對社會生產和生（shēng）活帶來多大的影響，但是可（kě）以（yǐ）肯定的是，這會打開各（gè）種可能性，使得我們原來不敢想的（de）事情變為（wéi）現（xiàn）實。

中國計量科學研究院從20世紀60年代便開始時間（jiān）頻率基準（zhǔn）的（de）研製（zhì）。從熱束型銫基準鍾，到激光冷卻銫原子（zǐ）噴泉鍾，再到鍶原子光晶格鍾，幾代人的（de）不懈努力與傳承，逐步紮（zhā）實地掌握了時間頻率基準研製的核（hé）心技術，在時間頻率計量領域始終緊跟國際前沿，以最成（chéng）熟的技術和思想構（gòu）建國家最高精（jīng）度的時間頻率基準。

2010年，中國計（jì）量科學研究院研製（zhì）的（de）第二型NIM5銫噴（pēn）泉鍾實現了（le）1.5×10^-15相對頻率（lǜ）不確（què）定度，相當於2000萬年不差一秒，創造（zào）了準連續運行率99.2%的（de）世（shì）界最高水平。2014年，NIM5銫噴泉鍾被接收為國際計量局認可的基（jī）準鍾之一，參與駕馭國際原子時（TAI）。這標誌（zhì）著我國繼法、美、德、意、日、英、俄7國之後（hòu），成為國際計量局認可的參與修正國際原子時的（de）國家，也意味著我國在國際原子時合作（zuò）中，第一（yī）次擁有了“表決權”。

與NIM5同步（bù）研製的NIM5-M的銫噴泉鍾於2009年9月交付（fù）衛星定位（wèi）中心實驗室，不（bú）確定度達5×10^-15。中國計量科學研（yán）究院在（zài）國際上（shàng）首（shǒu）次利用銫噴（pēn）泉（quán）鍾直接（jiē）駕馭氫鍾產生中國計量（liàng）科學研究院原子時TA-c(NIM)的實驗獲得（dé）了很大的成功。單台噴泉鍾駕馭單（dān）台氫鍾的原子時（shí）不確定（dìng）度優於6×10^-15。這（zhè）個實驗開辟了全新的實驗室守時（shí）新方案（àn），對中國時標的發展具（jù）有重要意義。

現在，中國計量科學研究院（yuàn）國家（jiā）時間頻率計量中心保存著我國的國家秒長基準——激光冷（lěng）卻銫原子噴（pēn）泉鍾NIM5和國家時標基準UTC(NIM)，共同構成了（le）中國的時間頻率基準（zhǔn）。這是我國時間頻率計量體係的（de）源頭，其基本作用就是保（bǎo）持時間（jiān）的連續運行，產生和保持（chí）高度準確、穩定的國家統一使用的標準時（shí）間（jiān）——北京時間，同時產生高度準確的頻率值，用於國內的量值傳遞。

目前，中國計量科學（xué）研究院正在進行新（xīn）一代銫原子（zǐ）噴泉鍾NIM6的（de）研製。而（ér）從2006年開始，我院已著手開始研製鍶原子光（guāng）晶格鍾。2015年，鍶原子光晶格鍾不確定度達到了2.3×10^-16，相當於（yú）1.3億年不差一秒，成為（wéi）我國第一台（tái）基於中性原子的光鍾。