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？

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

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)一的標準，導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——世界標準時(簡稱UT)。

可是此后天文學家發(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。隨著量子物理學的建立，科學家認識到：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準。

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入人們的視野。國際上從20世紀70年代末就開始了光鐘的研究，進入21世紀以來，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”成為準確度最高、應(yīng)用最廣的物理量，其不確定度遠遠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)）導出；電學重要單位伏特(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到1 μs；采用5G技術(shù)的通信基站之間的時間同步精度達到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)濟模式，通過手機應(yīng)用實現(xiàn)準確定位。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)星導航定位產(chǎn)業(yè)。

利用導航衛(wèi)星進行定位時，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準時間的差別，是非常重要的一項誤差源。

每個導航衛(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致測量上的巨大誤差。1米的導航精度要求所有衛(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)造出當今世界人類處處依賴的定位精度可達幾米乃至幾毫米的衛(wèi)星導航定位系統(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)定位導航的載體，真正實現(xiàn)定位導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的地面基準鐘。所有的星載鐘需要地面守時鐘組產(chǎn)生的時標定期校準以保證其準確度。提高定位精度可以通過提高校準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鐘等，其穩(wěn)定度、不確定度指標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，促進了國民經(jīng)濟的健康快速發(fā)展。北斗導航系統(tǒng)大大促進了我國軍隊的現(xiàn)代化，改變了我國軍隊定位授時嚴重依賴GPS的尷尬局面，使得我國部隊戰(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)來進行厘米量級的大地水準測量。在“原子秒”定義修改以來的50年間，秒定義復現(xiàn)的不確定度指標提高了6個數(shù)量級。對未來修改秒定義，科學家目前還無法充分預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。

中國計量科學研究院從20世紀60年代便開始時間頻率基準的研制。從熱束型銫基準鐘，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。

2010年，中國計量科學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，相當于2000萬年不差一秒，創(chuàng)造了準連續(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可的基準鐘之一，參與駕馭國際原子時（TAI）。這標志著我國繼法、美、德、意、日、英、俄7國之后，成為國際計量局認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5×10^-15。中國計量科學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，對中國時標的發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)在，中國計量科學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——激光冷卻銫原子噴泉鐘NIM5和國家時標基準UTC(NIM)，共同構(gòu)成了中國的時間頻率基準。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)生和保持高度準確、穩(wěn)定的國家統(tǒng)一使用的標準時間——北京時間，同時產(chǎn)生高度準確的頻率值，用于國內(nèi)的量值傳遞。

目前，中國計量科學研究院正在進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到了2.3×10^-16，相當于1.3億年不差一秒，成為我國第一臺基于中性原子的光鐘。