时间都去哪了?时间从哪里来?我的时间怎么测量？ _时间

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作者简介：
李梦，清华大学物理系19级直博生，导师为杨硕教授，目前主要研究方向是张量网络。
导读
世人总感叹时间荏苒，岁月蹉跎，总是回首往事的时候不免自问“时间都去哪了” 。然而科学家们思考的却是完全相反的问题——“时间从哪里来” 。我们平常使用的北京时间是怎么得到的?如何保证时间测量的准确性和长期稳定性?这些问题不仅关系到众多依赖高精度计时的应用技术，更是在基础理论的研究，计量学的发展上占据重要的地位。
本文将从基本的测量出发，简要介绍统一的测量标准在人类社会发展中的演变进程，阐释时间测量在众多物理量测量中的特殊地位。继而解释当今最前沿的时间基准采用的基本技术及其原理。
本文总字数约5698字，阅读约18分钟。
统一度量衡之路
测量的古与今
昔秦王扫六合，统一中原，将六国沃土收入囊中。在统一之后，立刻就推出了“统一度量衡”的诏令。要统一测量最关键的一点便是要有标准具。现存于上海博物馆的“商鞅方升”便是商鞅制造的度量衡器标准。统一度量衡扫除了经济文化发展的障碍，使得大到基于赋税和俸禄的国家机制，小到柴米油盐市井买卖的百姓民生得以有条不紊的进行。可见在古代人们对度量衡的标准的制定便有很高的需求。时至今日，科技发展，文明进步，人们对测量的要求只增不减。精密的测量也越来越多的深入的我们的日常生活中。

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图1 商鞅方升图片来源：百度百科
现在的司机们已经很少会遇到在路上迷路的窘境了。只要打开手机导航，就算是一次也没去过的城市也可以轻松的找到路线。十几年前想成为好司机还需要好的记性的日子已经一去不复返了，这一切得归功于全球卫星定位系统(GPS) 。这便是精密测量在我们日常中大放异彩的典型案例。为了能满足我们日常的使用，定位的精度在几米量级就已经足够了。几米对我们来说可能并不算很小的长度，以至于我们很难把他和精密测量联系起来。实际上， GPS系统是通过接受不同卫星的时间戳信号，根据不同卫星的信号接收时间差推算出位置的。假设理想情况，信号按照光速传播，如果希望达到米量级的定位，则需要测量的时间差在10e-9s量级，要保证不同GPS卫星时间同步， GPS卫星的计时误差还要更小！这对测量标准的制定提出了很高的要求。

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图2 GPS定位原理
图片来源：JIBAO网
基本测量和测量标准演化
测量的形式多种多样，长度，时间，压强，温度，重量……不一而足。面对各种各样类型的测量，人们制定了7个单位为基本单位，再通过一些物理定律间接定义其他单位。这样只需要准确地定义这7个单位就可以准确地定义所有单位。标准制定的任务也因此减轻了很多。然而，即使只有7个基本单位，人们还是经过了一代又一代的尝试和改进。以长度为例，除去诸如法老身体上的长度之类的十分不准确的定义之外，最早的系统化、科学化的长度定义来自于16世纪的法国神职人员加布里埃尔·穆东。他提出利用地球子午线长度作为基准定义单位米。后来国会采用了这种方法，将地球子午线的一千万分之一定义为一米。地球子午线的长度定义米有很多优点。首先，地球子午线的长度是一个相对稳定不变的量，其次地球子午线将近一千万米，就算测量子午线的长度存在一公里的误差，计算得到的米的误差也只有万分之一米。但是地球子午线的测量并不方便，后来在《米制公约》中，人们使用90%铂和10%铱的合金制作了米的标准器具，作为米的标准。使用这种金属制作也正是为了减少时间和环境的变化对标准具的影响。随着物理学的研究进入微观领域，对原子的理解进一步加深。人们发现稳定的原子才是自然界最好的尺子，随即将米定义为氪86原子在2p10和5d5量子能级之间跃迁所发出的电磁波在真空中的波长的1650763.73倍。