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瑞士钟表 世界上最准的钟在哪儿?

自动钟表的精准测试。

自动钟表的精准测试。

(Keystone)

时间是什么?是空间之外的第四个维度?是日月星辰的轮转?是过去、现在和将来的序列?是时钟所测量的物理量?什么样的钟最准,超级准的钟又有什么用途?“天文台验证”的钟表很厉害吗?这些钟表能帮我们更好地理解这个世界吗?

时间如此令人着迷,它似乎无处不在,却又无迹可寻。虽然人类至今未能给时间下一个完美的定义,但是从古至今,人类一直没有放弃过对时间本质和时间计量的探索。

单摆钟:每天误差10分钟

时钟是人类最古老的发明之一。古代人类制作日晷、水钟、沙漏、香烛,帮助自己感知和规划时间,开展社会活动。但是这些来自大自然的计量器,显然满足不了人类在探究和把握时间问题上的野心。人们在逐渐掌握了机械技巧之后,不断尝试用齿轮、擒纵器、重锤、发条、重力摆等机械装置制作钟表,到了17世纪中叶,单摆机械钟的准确度已经达到了每天的误差只有10分钟。

有趣的是,无论是11世纪中国宋代苏颂复制成功的“水运仪象台”,还是14世纪开始逐渐风靡欧洲的“教堂钟塔”,这些早期的时钟都试图身兼二职:其一当然是通过等时的机械运动计时和报时,其二则是模拟日月星辰的运行情况,用形象化的方式来演示和测量天文现象。在欧洲,那些构造最精巧、走时最准确的天文钟被挂在教堂之上,一面揭示星体运行的自然规律,一面报时提醒信徒又到了向上帝祈祷的时间。

航海钟:每天误差0.3

科学技术的发展催生了人们探索世界的欲望。在地理大发现的过程中,时钟扮演了至关重要的角色。因为在远洋航海中,为了确定船的准确位置和航向,必须测定经纬度。人们想到了通过时间来换算经度的方法:地球每天转动一周是360度,用360除以24小时,每小时的时差就相当于经度15度。所以,只要知道两地准确的时间差异,就可以计算出两地的经度差了。

这种通过时间测算空间的方法,对时钟的精度和稳定性提出了很高的要求。1772年,英国钟表匠约翰·哈里森(John Harrison)几乎用尽一生的时间,终于研制出那个时代最精确的航海钟,每天的误差仅为0.3秒。这使得大航海时代发生了革命性的巨变,长距离的安全航行终于成为可能,英国在海上贸易中抢占先机,成就了“日不落帝国”的全盛时代。

由于航海钟在精确度方面的要求,当时的钟都需要经过天文台经天文观测来校准。欧洲参与校准的天文台主要是日内瓦天文台、瑞士纳沙泰尔天文台、法国贝桑松天文台和英国Kew天文台。每次校准大概需要45天,其中日内瓦与纳沙泰尔天文台都要求日差不能超过0.75秒,这也是现在我们说钟表“天文台认证”的起源。

用于欧洲伽利略全球卫星导航系统上的氢原子钟

(specrtatime)

石英表:每年误差5

然而,真正的“天文台认证”竞赛只持续了一百多年,就被石英钟表的出现打断了。石英晶体在电流的激发下可以持续发出高频振动,为人类提供了比单摆、航海钟中的高频振子都要精细得多的时间节拍器,从而使制作更为精准的钟表成为可能。

1927年美国就已经在实验室里研制成功了第一座石英钟,但是由于其他条件的限制,石英钟表一直没有得到商业化推广。直到1962年,由欧米茄(OMEGA)、万国(IWC)、积家(JLC)、伯爵(PIAGET)、百达翡丽(PATEK PHILIPPE)等20个钟表品牌在瑞士成立了纳沙泰尔电子表中心(Centre Electronique Horloger,系如今瑞士电子与微技术中心CSEM外部链接的前身),并在1967年推出了电子石英手表。经纳沙泰尔天文台测试,这种石英手表每月误差仅为5秒,获得了当年纳沙泰尔天文台竞赛(Concours Chronométrique International de l’Observatoire de Neuchâtel)的头奖。值得玩味的是,石英表也令致力于测试钟表准确度的“天文台竞赛”走向末路,因为石英表实在是太准了,与绝大多数机械手表同台只会使得竞赛索然无味。于是,同样是在1967年,日内瓦天文台结束了竞赛,纳沙泰尔天文台竞赛也逐渐衰落,最后在1975年偃旗息鼓。

19世纪末开始,铁路成为了主要的运输方式,飞驰而过的火车将地理距离遥远的各地紧紧连接在一起,这就要求各地使用统一的时间,怀表、手表成为了日常生活中的必需品。每个人都想拥有一只物美价廉的表。可惜当时瑞士研制的石英表体积偏大、耗电量高、价格也不平易近人,仅仅两年之后,也就是1969年,日本精工公司(SEIKO)成功推出了商业化生产的石英手表,之后电子石英手表进入了千家万户,也给瑞士机械手表工业带来了沉重的打击。

为了应对“石英危机”,1983年成立的斯沃琪(Swatch)集团推出了一系列塑料石英走针手表,将“瑞士制造”与“简单低价”完美结合在一起。到了90年代,机械手表因其厚重的文化积淀和精美的机械结构,重新回到钟表时尚之巅。

现在,瑞士高端石英表的误差已经缩小到每年5秒,而便宜的石英表只需几块钱人民币就可以轻松买到。

原子钟:160亿年误差1

在各国快马加鞭研制石英手表的同时,另外一种准确度超乎人类认知范围的时钟也正在酝酿之中。这就是用原子吸收或释放能量发出电磁波的频率充当节拍器的原子钟。原子钟主要应用在电信、防务、导航、广播、仪器和宇航等领域,精度超级高的原子钟用于基础物理研究,还可以用来验证爱因斯坦的相对论。

第一座原子钟诞生于1949年美国的国家标准局(National Bureau of Standards),可是这座原子钟还没有现在的石英钟准确。后来经过各国顶尖实验室的不断研究和改良,原子钟的精确度飞速提升。20世纪80年代,瑞士纳沙泰尔天文台也加入了研制原子钟的行列。到2003年,纳沙泰尔研制的原子钟成为了世界上精度最高的原子钟之一,3000万年中的误差都不会超过1秒(英)外部链接。如今,瑞士联邦度量衡鉴定局(METAS)内用来产生瑞士国家原子时的原子钟,就是纳沙泰尔天文台的杰作。

来自中国的王庆华博士本世纪初在纳沙泰尔天文台从事原子钟的研究工作,后来加入了spectratime公司。她介绍说,原子钟是导航系统的心脏,欧洲伽利略全球卫星定位系统(GALILEO)上使用的主要是瑞士研制的原子钟。由于卫星发射和空间运行的情况十分复杂,所以每颗卫星上都配有两台铷钟和两台氢钟,这主要是考虑到技术可靠性和空间技术可行性,保证即使有意料之外的情况发生,仍然可以使用备用原子钟继续工作。通过原子钟提供的精确时间,如今的卫星定位系统已经可以将地面距离的误差控制在一米之内。

用于欧洲伽利略全球卫星导航系统上的铷原子钟。

(specrtatime)

中国北斗卫星导航系统第一代“北斗一号”每颗卫星上装载了四台铷钟,其中近一半来自瑞士纳沙泰尔。而“北斗二号”上则开始使用中国自行研制的原子钟。

另外,卫星上的原子钟还可以与地面上的原子钟一道,提供精确的同步时间数据。我们现在使用的“协调世界时间”(UTC),就是以原子时秒长为基础的最主要的世界时间标准。当我们打开手机、电脑、电波表或智能手表,上面显示的已经是原子钟告诉我们的时间了。

目前,世界上最准的钟应该是美国实验天体物理研究所(JILA)研制的锶原子光钟(英)外部链接,这种钟已经达到160亿年误差不超过1秒的惊人水平。瑞士的研究机构有意与其他欧洲国家合作,开展光钟的商业化研究。

几个世纪以来,人们对于时间的探索逐渐深入,瑞士也一直是这项事业的先行者。人类站在永不可逆的时间之流中,以不足百年的短暂生命,赢得160亿年不慢一秒的时间计量工具,要知道,宇宙的年龄也不超过140亿年。或许,这就是人类打败时间的方式之一。

瑞士资讯swissinfo.ch

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