格林尼治標準時間（GMT）作為一種通用時間參考標準，已經使用了120多年。
現在，由於地球自轉速度的減慢，格林尼治標準時間可能有一些誤差。因此，科學家們正在討論用基於原子振盪週期的“原子時”取代基於地球自轉的“世界時”。從古人最初嘗試用日晷測量時間，到原子鐘精度記錄達到“17億年僅1秒”（2009年記錄）的先進設備，人類一直在為精確測量時間而奮鬥。然而，一個人的生活中幾乎沒有任何活動需要精確到少於幾秒的時間。那麼，這樣精確的時鐘能工作嗎？我們來談談時間測量之類的話題。
日晷、水鐘與沙漏
作為時間測量這個話題的先行者，我們首先應該談談時間概念本身的起源，雖然這不是一件容易驗證的事情。人們普遍認為，自然界中的週期現象是啟發人們產生時間概念的原因之一。例如，“年”的概念來源於四季循環，“月”的概念來源於月相盈虧，“日”的概念來源於晝夜交替，構成了一個粗略的時間尺度。
然而，根據日常經驗，要找到一個比“天”短、足夠可靠的週期運動並不容易，因此需要人工方法來測量較短的時間。我們聰明的祖先發明了鐘。最早的鐘出現在五六千年前。它利用太陽陰影的變化來標記時間。這叫日晷。
但是，日影的變化與地點和季節有關，在多雲的白天和夜晚將不再存在。我們該怎麼辦？所以古人又發明了水鐘。它用穩定的水流來標記時間，出現在三四千年前。但是水鐘也有缺點，就是不能在太冷的氣候下使用，那我該怎麼辦呢？人們又發明了沙漏。
在中國宋代，人們也用燒香的蠟燭來祭祀。武俠小說中經常提到的“一炷香”概念，估計就是由此而來的。
此外，人們的脈搏也曾被用作粗略的計時依據，但脈搏的頻率不僅因人而異，而且受情緒、運動、健康等因素的影響甚至對同一個人來說也是如此，所以效用相當有限。
擺鐘的輝煌時代
水鐘、沙漏和香燭的燃燒都試圖使用統一的物理過程來計時。不幸的是，那些被認為是統一的過程實際上並不統一，每天至少有10分鐘的誤差。這些粗糙的時鐘伴隨著人類社會走過漫長的中世紀，進入了文藝復興時期。此後，隨著海上貿易的興起，時鐘成為船舶定位的工具。在船舶定位中，緯度可以通過觀測太陽或北極星的角度來確定，而經緯度則需要時鐘的幫助。
航海時代，荷蘭科學家惠更斯於1656年發明了一種新的鐘——鐘擺鐘。
半個多世紀前，伽利略發現了擺的等時性，即擺的週期與其振幅無關，這實際上是擺鐘的原理。伽利略自己就利用這一原理設計了一個鐘擺鐘，但未能付諸實踐。惠更斯在研究中注意到伽利略發現的擺的等時性並不嚴格，嚴格的等時性需要擺線。
鐘擺鐘的出現給鐘族帶來了前所未有的繁榮，但鐘的精度仍然不高。此後，半個世紀後，一場嚴重的沈船事故終於把鐘的精度推到了最前線。這是1707年10月的一個晚上，英國肖恩海軍上將率領的艦隊由於定位錯誤，在英格蘭西南部的西里島附近觸礁。英國皇家海軍最好的四艘軍艦沈沒，大約2000名官兵被埋在海底。
這消息震驚了英國。在軍方和商界的再三催促下，英國議會於1714年懸賞一個時鐘，可以將船隻的定位精度提高到20海里。在靠近英國的緯度，相當於整個航程的時間誤差不超過2分鐘。最終，英國鐘錶製造商哈里森（Harrison）贏得了這項獎勵，他在1761年冬天的一次海試中設計了一款81天5秒的鐘錶。1773年，哈里森80歲時，這個獎勵終於實現了。以今天的貨幣計算，這個獎項的價值約為200萬美元，超過了諾貝爾獎的獎金。
此後，人們不斷提高擺的精度。1921年，英國鐵路工程師肖特製作的鐘擺鐘創下了每年只有一秒的新紀錄，被一些天文站視為標準鐘。但這是擺鐘最後的榮耀，因為僅僅六年後，新一代的石英鍾在美國貝爾實驗室問世。
石英鍾的橫空出世
石英鍾利用石英晶體的一種特殊特性，稱為壓電效應。利用這一特性，人們可以使適當頻率的電場與適當形狀的石英晶體發生共振，然後利用共振頻率測量時間。石英鍾的出現，消除了過於複雜的齒輪系統給擺鐘帶來的磨損和阻尼，其精度很快就超過了擺鐘。
除了高精度外，石英鍾還有一個很大的優點，那就是它可以測量非常小的時間間隔。如前所述，人們發明鐘錶的原因是不容易發現比“月”短的自然週期運動，因此不可能測量比“日”短的時間。擺鐘也存在這個問題，但程度不同，因為擺鐘的週期通常在秒的量級上，所以不可能測量到比秒短的時間。但是石英鍾的振動週期只有幾萬甚至幾千萬秒，所以它可以測量很小的時間間隔。1932年，科學家利用石英鍾研究地球自轉，發現我們居住的巨型太空陀螺儀有輕微的“震動”——地球自轉週期有非常小的短期變化。
石英鍾雖然具有突出的優點，但也有一個致命的缺點，即其精度會隨著石英晶體的老化而下降。即使是最好的石英鍾，誤差也是千年一秒，使用時間越長，誤差就越大。幸運的是，就在石英鍾問世20多年後，一種新的時鐘出現在了歷史的舞台上，那就是原子鐘，它是1955年由英國科學家首次研製出來的。
原子鐘的霸主地位
顧名思義，原子鐘依賴於微觀世界中的週期現象（特別是躍遷輻射中的週期現象），這是自然界中最完美、最純粹的週期現象。它不損耗，不老化，振動週期比石英晶體短，所以原子鐘的精度遠高於以往任何一種鐘，而且還可以測量更精細的時間間隔。
英國科學家最早研製的原子鐘是轉原子鐘。銫在早期原子鐘的生產中發揮了重要作用，由於其超精細能距大，在微波波段的躍遷輻射相對容易測定，而且它只有一種穩定的同位素，避免了提純的麻煩。此外，應該提到的是，美國和國家標準計量研究所於1949年研製的氨分子鐘有時被稱為第一原子鐘。
原子鐘的出現不僅改變了時間測量，也改變了空間測量。1967年，人們將“秒”的定義從最初的天文定義改為原子鐘的定義，即1秒等於“銫-133原子基態兩個超精細能級躍遷對應的9192631770個輻射週期的持續時間”；1983年，人們進一步聯繫起來“米”與“秒”的定義，即一米等於“真空中的光1/299792458秒”。在人類計量史上，這是一個引人注目的結果，因為傳統上人們用空間距離（如日晷和時鐘的刻度）來標記時間，但現在空間計量依賴於時間計量。原子鐘在誕生之初，其精度僅為每300年一秒。經過半個多世紀的發展，其精度提高了幾百萬倍，而且還在不斷提高。同時，原子鐘的種類也增加了。工作物質已從鎘和梗原子擴展到鈣、U甚至汞。2009年，美國國家標準與計量研究所（NIST）的科學家研製出一種原子鐘，其精度記錄僅比每17億年減少1秒。原子鐘是以汞離子為基礎的。它的工作波段在光學波段（傳統的橢原子鐘在微波波段），所以又稱光學鐘。光學鐘的振動週期比帶原子鐘短，所以除了精度更高外，可以測量的時間間隔也更精細。
精確計量時間的意義
雖然時鐘越精確越好，但世界上很多東西都有度，一旦過了，就會變成浪費，所以有一個問題我們在本文開頭問過：這樣精確的時鐘有用嗎？
答案是肯定的，答案首先來自科學研究。我們可以舉很多例子，比如愛因斯坦的相對論告訴我們，在運動的參照系和引力場中，時間的流逝都會減慢。
這是一個很好的結論，但是我們如何測試它呢？最直接的方法之一是把時鐘帶到飛機上，讓它移動，改變它在地球引力場中的位置，看看它的行走速度是否改變。這個想法很簡單，但並不容易做到，因為對於相對論來說，飛機太慢，地球的引力場太弱，相對論效應只有1萬億左右。我該怎麼辦？科學家們想到了原子鐘。1971年，幾顆原子鐘被帶上飛機，在世界各地旅行。通過實驗驗證了相對論的時滯效應。
當然，當時原子鐘的精度沒有現在高。如果用比每17億年少1秒的時鐘來驗證同樣的效果，不僅可以大大提高實驗的精度，而且可以檢測出普通住宅樓上下兩層之間的時差。我們會發現，如果其他條件相同，一個人在樓下比在樓上多活一百萬分之一秒，在平原比在高地多活一百萬分之一秒，儘管這一次與一個人的生活相比是非常小的。
不同於一般情況下的相對論效應，自然界中仍然存在一些現象。它們不僅不微妙，而且規模驚人。例如，一種叫做類星體的天體，在20世紀50年代末被發現，它所釋放的能量比整個星系要多得多。它們離地球非常遙遠，通常距離地球數十億光年，因此當它到達我們這裡時，那裡的信息變得非常微弱。
對於這樣一個遙遠的物體，普通的望遠鏡已經無能為力，於是天文學家們建造了一個巨大的射電干涉儀，它包含了一個長達數百公里的巨大天線陣列，正是原子鐘使這些天線在時間上保持同步。從某種意義上說，通過研究細微的物理效應或遙遠的星光來探索自然奧秘的科學家就像福爾摩斯，他們從留下的線索中推斷出真相。對他們來說，原子鐘和放大鏡一樣不可或缺。
原子鍾不僅是象牙塔中的瑰寶，而且滲透到我們的日常生活中。其中一個最好的例子是全球定位系統（GPS），它為人們提供汽車、船隻、飛機甚至個人（如登山者）的定位支持。這個系統的原理很簡單。它是通過定位儀器與空間中的幾個定位衛星之間的無線電波來確定它們之間的距離，然後確定它們在地球表面的位置。最重要的一點是準確測量接收和發射電波的時間，因為只有準確測量時間，才能計算出準確的距離和位置，但由於無線電波的速度高達每秒30萬公里，即使測量的傳輸時間只有百萬分之一秒的誤差，也會導致數百米甚至更大的定位誤差。因此，GPS的關鍵是精確定時，而能夠勝任這一任務的是原子鐘。
除了全球定位系統，我們日常生活中使用的其他技術，如全球電信網絡，都離不開原子鐘的幫助。而且，歷史上的許多技術發展都是由科學研究成果轉化而來的，所以歸根結底，原子鐘在科學研究中的應用也是一種技術潛力，今天的科學可能就是明天的技術。正因為如此，儘管原子鐘已經達到了驚人的精度，但科學家對此並不滿意。他們仍在開發更精確的時鐘。即使時鐘從大爆炸開始運行，今天的誤差也不會超過一秒鐘。科學家們希望精密度將有助於一系列更為複雜的科學研究，例如測試自然常數是否隨時間而變化。人們對科學技術的追求是無窮無盡的。它是人類社會不斷發展的重要動力。
