時間是人類生活中最重要的事物之一，中國自古就有「一寸光陰一寸金」的諺語。英國著名物理學家霍金的科普著作《時間簡史》風靡全球，中國流行歌曲「時間都去哪兒了」也廣為傳唱，都說明了人們對於時間的重視和關注。時間不但在日常生活中扮演重要角色，在科學研究中也起著舉足輕重的作用，研究天體乃至各種地球物體的運動都離不開對時間的測量。所以，近代科學巨匠牛頓在其劃時代的著作《自然哲學的數學原理》一開始，就對時間進行了討論和定義。他認為，時間是「絕對的、真實的和數學的」，並且「均一的流動」「與任何外在的東西無關」，但可以通過物體的運動被感覺到並進行度量。
實際上，通過物體運動對時間進行計量，無論在中外都有悠久的歷史。人類經歷了諸如日晷、漏刻、沙漏、鐘擺、石英震蕩等等計時方式之後，在20世紀四十年代末，由於美國科學家發明了一種利用測量原子穩定能級之間躍遷的方式來計時的方法後，進入了所謂的「原子鐘時代」。
原子鐘的計時方式是採用測量一種穩定的原子能級之間的躍遷頻率作為計時的方法。經過改進後，這種計時方式比過去的天文鐘和石英震蕩鍾都要精密和穩定得多。因此，在1967年，國際度量衡大會決定採用原子鐘來定義基本時間單位，即用銫元素唯一的穩定同位素銫-133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期所持續的時間長度作為1秒。到20世紀末，一方面通過進一步對原子鐘的使用條件進行嚴格規定，另一方面通過技術改進，例如使用雷射冷卻和原子俘獲，以及更精密的雷射光譜技術，使原子鐘的精確性有了更大的提高。這種精確的計時裝置使時間的計量更加統一和準確，為科學技術研究、現代生產活動和人們的日常生活都帶來了很大的方便。
進入21世紀，科學家不但在原子鐘的準確性方面繼續努力，還在原子鐘的微型化和節能化方面狠下功夫，使得新一代原子鐘實現了晶片級的躍升，所需能量也大大降低，從而在穩定性和精密性方面再一次得到了極大的優化，並進入到了商業化推廣階段。
當前，原子鐘在工作物質方面也開始多樣化，不再限於銫元素，也包括鉛、氫、銣、鍶、鐿元素等。工作模式則分為光學原子鐘和量子原子鐘等多種不同的模式。原子鐘甚至已經突破了單純原子的界限，開始朝著原子核和單個離子特性測量的方向發展。從這個意義上講，稱之為原子鐘似乎已不能完全涵蓋其內涵，也許稱為「粒子鍾」更加貼切。特別重要的進展還在於，如今的原子鐘已不僅限於作為一種精確的計時裝置得到應用，還成為科學家研究宇宙天體乃至地形地貌等更廣泛科學領域的新型探測工具。
前面提到牛頓的絕對時間，實際上根據相對論理論，我們已經知道時間並非絕對均勻的流逝過程，在不同的引力條件下時間流逝是有一定差異的，或者換言之，物質的時空運動狀況呈現出不同的特性。反映到原子鐘的運行上，其時間快慢也由於引力場的作用而有所差異。但一般原子計時裝置可能無法覺察到這種微小差異，只有超精密的原子鐘才有可能探測到這個差異。基於這個思路，在目前更新一代原子鐘技術的基礎上，科學家開始通過探測其時間差異來研究不同宇宙天體的變化所引起的引力波現象。據英國《自然》雜誌的報導，科學家也在利用可攜式微型精密原子鐘來測量山脈的高度，其原理也是基於山峰和谷底引力變化所導致的時間差異。
可以預見，隨著原子鐘技術的不斷發展，一方面其為更廣闊的科學技術領域，例如宇宙天體、人造衛星、地形地貌、半導體晶片等的研究應用創造新的機會，另一方面也將普及到更廣泛的生產和生活領域，為人們的日常生活帶來更多的便利。
（作者：王大明，系中國科學院大學人文學院教授）