第1章绪论
1.1时间的基本概念
时间的基本单位“秒”是国际单位制（SI）七个基本物理量中*具特性的一个：首先，它是当前测量精度*高的物理量；其次，它有着悠久的测量历史和多种测量手段，单位定义具有复杂性。
20世纪50年代之前，标准时间的测量和定义是以天体测量的观测结果为基础，即以地球自转周期为基础的世界时（universal time，UT），因此一直以来标准时间的产生和保持（也称为守时，timekeeping）隶属于天文台站的工作。基于天体测量的天文时间在人类历史活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大作用，目前依然是确定国际标准时间的两个要素之一。
由于天体运动的周期不够稳定，由其确定的时间单位（日或者秒）的测量精度不高，而且观测时间长，不便使用，不能满足现代科学技术高速发展的需要，因此在20世纪50年代以后，时间单位“秒”的定义逐步被以量子物理学为基础的原子时间频率标准所代替。建立在量子物理学基础上的铯原子时间标准诞生于1955年。经过十几年的理论分析、交替测量和技术协调，铯原子时间标准在1967年正式取代了天文时间标准的“秒长”定义，并在几年之后形成全球统一的时间标准——国际原子时（international atomic time，TAI）和协调世界时（coordinated universal time，UTC），并沿用至今。UTC是现今世界各国法定时间授时发播服务实际使用的标准时间，它是世界时和国际原子时的折中和统一。一般来说，世界时能够直接反映地球自转和昼夜变化规律，在日常生活生产活动、天文观测、大地测量和宇宙飞行等领域不可或缺，而国际原子时准确、稳定，在通信、卫星导航、科学研究等领域广泛应用。
1．认识时间
时间依据其特性可分为人文时间、科学时间及哲学时间。人文时间涉及人对于时间的感觉、意识，以及人对于时间的心理学、生理学、病理学特征；科学时间涉及作为基本物理量的时间的定义和测量，以及自然科学和其他学科发展揭示的时间的各种特性；哲学时间则涉及对于时间本质的认识和概括。本书仅讨论科学时间，着重在科学层面上研究和讨论时间的定义、测量、传递及应用。
提出了三大经典力学定律的科学家牛顿（1643～1727年）认为，时间是绝对的、不受外来因素干扰的，且可以永久存在。一切不变是牛顿时期时间科学的基础，也是直到20世纪初被普遍接受的科学时间概念。
真理是相对的，它总是随着科学的进步而发展。进入20世纪后，人类在物理学、天文学的新成果、新发现向“绝对时间”的基本观念提出了质疑。20世纪，科学家爱因斯坦将时间与空间耦合一起，“推翻”了牛顿的观点。爱因斯坦狭义相对论指出，时间是相对的，时间不能脱离宇宙及其事件的观察者而独立存在，时间是宇宙与其观察者之间联系的一个方面。处于相对匀速运动的不同观察者，一般对同一事件总会测出不同的时间。例如，相对观察者做匀速运动的钟比相对于观察者静止的钟走得慢，钟的相对速度越大，越接近光速，效应越明显。另外，爱因斯坦广义相对论的一个直接推论是，由于引力场的存在，处于地球表面不同高度的时钟走时速度不一样，海拔越高，钟速越快，差值约为1.09×10-16s/m，即海拔每升高100m，时钟变快百万亿分之一秒。爱因斯坦相对论做出的这些预言已经被实验所证实。另外，如果承认根据爱因斯坦相对论和20世纪重大天文发现（河外星系谱线红移、微波背景辐射、不同星系上近似的氦丰度）提出的“大爆炸”宇宙模型，那就要接受宇宙必然有“开端”（至少在100亿年前），并且还可能有终结（至少在几百亿年以后）。由爱因斯坦广义相对论和量子理论得出的现代宇宙论的研究成果：观测所及的宇宙（范围约150亿光年）是有限无界的，即在空间-时间尺度上有限但无边界（或边缘），无始无终，无生无灭！当然，这只是一种比较新的宇宙模型，由此做出的科学预言还要接受实际观测的验证。
物理学家史蒂芬 威廉 霍金认为，爱因斯坦只给出了时间变化的特性，没有解释时间的起点和终点。霍金的时间理论是在广义相对论与量子理论的基础上的延伸与发展，他认为时间是有起点也是有终点的，时间随着宇宙膨胀而产生。霍金在其著作《时间简史——从大爆炸到黑洞》总结出“时间起源于大爆炸，结束于大挤压”。
总而言之，“时间是什么”的问题实质上是探索时间的本质，从古至今，科学家都在努力研究时间、认识时间。然而直到现在，还没有任何一种关于时间本质的学术观点被一致认同，需要长期探索下去。好在时间已在人类生产生活，特别是科学技术发展进步中得到极大的应用，对时间的认识也会随着社会的发展，尤其是科技的进步而不断达到新的高度。通常来讲，科学时间涵盖了时间产生与保持（也称为守时）、时间服务（也称为授时）、时间应用（也称为用时）三方面内容，如图1.1所示。
图1.1科学时间涵盖的内容
2．科学时间应用
时间是科学研究、科学实验和工程技术等方面的基本物理参量，为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。精密时间以其完美的线性和连续性展示出缤纷的客观世界的理性，成为人类认识世界和改造世界的有力科学工具。
精密时间在国防现代化、国民经济建设的诸多方面都有着广泛应用。精密计时、现代通信、导航定位和计算机自动控制等都离不开精密时间尺度和时间频率测量技术。现代数字同步网主要需要频率同步，在此基础上的业务网，如同步数字系列（synchronous digital hierarchy，SDH）通信网时间同步、码分多址（code division multiple access，CDMA）通信基站间的时间同步等，不仅需要频率同步，而且需要高精度的时间同步。
在导航系统中，尤其是星基导航系统，如美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）、俄罗斯格洛纳斯的全球卫星导航系统（GLObal Navigation satellitesystem，GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system，GALILEO）及中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）都是采用测时测距体制，高精度时间频率测量和同步是导航系统的关键和核心，整个GPS星座的星载钟之间的同步精度在几纳秒水平。
在很多科学研究（如电离层特性研究等）、计量和校准领域，以及时间戳等方面，都需要高精度时间基准。在航天领域，如火箭发射等需要高精度的时间和频率同步。独立自主的时间频率体系关乎国家安全和核心利益。世界主要发达国家极其重视时间频率体系建设和发展，美俄均建有独立完备的国家时间频率体系。目前，我国正在建设和完善以北斗卫星导航系统授时为主导，以陆基无线电、光纤、网络等授时手段相辅助的国家时间频率体系。国家时间频率体系包含守时、授时、定时、计量校准与监测等方面。
1.2守时的基本概念
守时是科学时间服务的核心和基础，是对时间进行定义、测量、产生和维持的过程；授时是将符合规范的标准时间通过一定方式发送给用户的过程；定时是指用户接收标准时间信号，使标准时间服务于各种应用的过程，如图1.2所示。
图1.2守时、授时与定时（李孝辉，2015）
1．时间及守时的重要性
时间是科学技术发展和进步必不可少的基础参数，同时科学技术发展提供的科学原理和技术手段又促进了时间科学的发展和进步。现代量子频标的出现和电子技术的进步，极大地提高了时间频率计量测试的稳定度和准确度，使之遥遥领先于其他量值的计量水平。由于极高的测量精度和直接传递的特性，时频计量成为其他量值计量向着量子基准转化的先导。1983年，第十七届国际计量大会（general conference of weights & measures，CGPM）的会议决议中重新定义了“米长”[光在真空中1/299792458s（3.3356ns）所传播的距离]。长度和时间的这种密切的关系已经被用于导航系统，全球定位系统尤其令世人注目。完成这种转换而重新定义的量值还有电压单位伏特（1990年），电阻单位欧姆（1990年）。德国的ACAM公司已经开发出基于时间间隔测量（time interval counter，TIC）的电容和电阻传感器，提高了电容和电阻的测量精度。由此可见，时间频率已成为当今物理量准确计量的基础。
时间渗透于人类活动、科学实验和国家建设的各个领域，在社会发展的各个历史时期都受到高度重视。在信息化时代的今天，时间得到了更加广泛的应用，人们的日常生活正处在时间的“包围”之中。国家的很多重要基础设施和行业，如通信、电信、定位、导航、测绘等，其活动效率和质量在很大程度上依赖于高精度时间服务保障。
全球卫星导航定位系统（global navigation satellite system，GNSS）就是高精度时间在定位的一个典型应用，如美国GPS和中国BDS。无论时间服务还是应用，都依赖于高精度的守时，守时是时间工作的基础和核心内容。任何一个大国都想拥有自己独立的、并力图建立与保持高性能和高可靠性的时间标准。例如，如果守时精度不能突破微秒（百万分之一秒）量级的限制，那么便不可能有今天的全球卫星定位系统，地球物理学将很难获得今天空间测量所提供的精细信息，当然也就不可能有今天这样准确的卫星气象预报和精密制导的远程武器系统。
由于社会发展，对信息传输和处理的要求越来越高，对守时精度的要求也越来越高，这就需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。20世纪50年代初原子钟发明至今，全球多个国家（包括我国）都在原子频率标准（简称“原子频标”）的研究上不断取得进展。传统的铯原子频标、氢原子频标、铷原子频标成为时间频率领域里*成熟、实用的原子频标，它们的秒级稳定度都在10-12量级及以上。除此之外，自20世纪80年代起，欧美国家开始研制新型冷原子频标，如光抽运铯束频标、原子喷泉、离子阱频标和光频标等，这些新型的冷原子频标的准确度和稳定度是在传统的原子频标之上。高稳晶振、原子频标等频率源的研制和应用范围的不断扩大，也不断向更精密的测量技术提出挑战。时间和频率的测量分辨率已经分别达到了皮秒和10-16量级，不确定度则下降到了10-14量级。
2．守时的基本原理
时间是连续流逝的物理量，包括时刻和时间间隔两部分。时刻表示事件发生或者结束的时间点；时间间隔表示事件发生所持续时间的长短。
守时的基本原理如图1.3所示，测量得到一个稳定的时间间隔，并且进行计数，从时间起点加上累加的时间间隔得到当前的时刻。稳定的时间间隔是通过测量物质的周期性运动而获得。
图1.3守时的基本原理
以上对守时的表述或许太过抽象，图1.4是较为容易理解的两个例子。通过测量钟摆的运动，可以得到稳定的时间间隔，将其计数并累加即可得到当前的时刻。对于铯原子钟（简称铯钟），在能级跃迁时吸收或释放一定能量的电磁波，这类电磁波同单摆一样，是一种周期运动，由于其频率更高，周期更短，稳定性更强，因而测量得到的时间间隔更加精确，守时精度也就更高。
图1.4利用钟摆和铯原子钟守时（Allan et al.，1997）
原子钟守时原理：原子频标输出标准频率，经过适当分频和控制后带动时钟钟面，从而给出一种由原子频标所确定的时间，该类型的时钟被称为原子钟。如果所用的是铯束原子频标，即为铯原子钟。任何一台原子钟均存在各种系统误差和随机误差，原子钟输出频率包含不同的变化分量，为提高守时性能，首先需要研究原子钟输出信号的变化特性。基于原子钟的现代守时方法的基本原则是采用一组原子钟，通过精密测量比对，尽可能消除各种系统误差和随机误差的影响，由统计学方法产生平均或者综合时间尺度。对所产生的原子时间尺度的要求是尽可能均匀或者稳定。
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