N · F ·雷姆赛教授（Norman F. Ramsey）是1990年诺贝尔物理学奖获得者。下面的演讲是作者在墨尔本、堪培拉、悉尼、布里斯班、阿德莱德、伯斯为亚洲国际物理会议所作的巡回演讲。这个会议是由悉尼市的亚洲国际物理学会主办的。雷姆赛教授还是1990年狄拉克讲座的主讲者。
时间的感觉
很久以前，在我们的星球上就已有一些生命形态存在。地球的活动存在着明显的周期性，最显著的莫过于由于地球运转而形成的昼夜分明和四季交替。这些周期性贯穿于生物有机体演化的始终，对它们的进化起着很重要的作用。这表现在很多动物都有一个近似以24小时为周期的生理节奏。即使在持续光亮的人造无周期环境中的动物也需要在此周期内睡眠。众所周知，向东或向西远距离旅行的“飞行时差”也证明人们调整自身内部的生物钟是多么的困难。
显然，人类所处的物理环境和生物本性的周期性影响了人类时间概念的发展，这正引起人们的兴趣去思考时间的观念是怎么发展的——它是否已发展完善——以及在物理宇宙和生物机体内是否存在无周期性。
时间的测量
时间对史前人们的重要性，使得他们开始制造早期的标石和仪器以用来测量时间。人类时间观念的发展是和人类测量时间的能力紧密相关的；从某种意义上说，时间就是被它的测量方法所定义的。
很多史前遗迹表明，依据季节和太阳的不同位置可以把白天划分成几个可测量的单位来供人们使用。随着文明的发展，这些方法逐渐被水漏、时间蜡烛和时刻镜所取代，但大部分误差都为1天1000秒钟以上。在中世纪早期，发明了尽管粗糙但已较复杂的机械钟，误差一天几百秒。直到中世纪后期，周期摆动平衡轮发明后，误差才减小到1天小于100秒（因为1天近似等于100000或105秒，这就相当于有千分之一或10-3的稳定性）。
任何钟表应有如下一些基本性质：（1）提供有规律的周期性的机械性能；（2）具有不明显影响周期性而又能提供钟表维持其周期运动的能量的方法；（3）具有分辨钟表的周期并显示时间的方法。假如后面两条不明显影响前者，钟表的稳定性和精确度就基本上由提供周期性的仪器所决定。所以我们着重讨论关于时间的精确测量问题。
在1583年，伽利略把摆动的灯的周期和他自己的脉搏相比较，发现吊灯的周期性摆动有其近似独立的振幅，此发现为在时钟中摆的使用提供了科学的依据。虽然伽利略认为他的发现可以作为时间记录的原理，但直到73年以后，荷兰科学家、钟表制作者惠更斯才发明了合适的摆轮机械使摆作周期性摆动，并制造出第一台成功的摆动控制钟。20年后，惠更斯把罗伯特、胡克的一些发现和他自己的摆轮机械相结合，制造出第一台由螺旋发条约束的摆动平衡轮提供周期性的钟表。这种钟表是随后发展的时钟和带有平衡轮和游丝的袖珍表的前身，尽管它的准确性受到平衡轮为基础的钟的挑战，但摆钟在后来的两个半世纪内仍然给人们提供着很准确的计时。
摆钟和平衡轮钟的准确性持续提高，一直到20世纪，应用了些补整措施以降低变化的外界条件如温度的影响。到20世纪中叶，最好的平衡轮钟的误差一天少于十几分之几秒，而最好的重力摆钟误差甚至小于一秒的千分之几或日稳定性约为2×10-8。
20世纪，发现由电驱动的振荡电压和适当切割的石英晶体振动可提供更稳定的周期性，以此可作为更精确计时方法的依据。目前最好的石英钟稳定性很高，不稳定性低到2×10-13。在过去的20年中，普通人的时计已发生了变革，石英振荡高度的准确性使石英手表的尺寸和价格大为减小，在这些表内的石英晶体被切割成很小的音叉形状，人们花几美元就可以买到1只石英表，其误差每天小于1秒。
原子钟
虽然石英表有很可观的稳定性，但原子钟则具有更好的精确性、复制性和稳定性。
一切时钟都需要有一个基本的周期运动，它保持不变即可被用来计数。原子钟的周期性运动来自原子核和绕核运转的电子之间磁相互作用，大多数原子的核像陀螺一样自旋，并像罗盘针一样被磁化。就像旋转的陀螺在地球重力场中绕垂直线运转一样，核也在电子的磁场中运转。这种运转的频率是由原子核和电子的磁性质以及原子的大小决定的。因为原子的性质在一个时期内是不变的，所以除由外部磁场和电场的涨落引起预期的微小变化之外，原子内部的运动是不变的；由于它们的高稳定性，这些原子内部的周期运动就为高精度的时钟提供了依据。原子钟根据采用的原子和观测原子内部运动的方法不同而不同。
广泛使用的原子钟采用铷、铯或氢的原子。虽然铷钟是最便宜的，但它的准确性和稳定性较差，所以，我主要只叙述絶原子钟和氢原子钟。
在绝射束钟内，原子束从装满铯的加热炉的孔内射出，先被一个非均匀磁场转向，再被一个不均匀性颠倒的类似场聚焦。在两个场之间，原子束暴露在一个微波振荡器发出的无线电电波中。当振荡器的频率和原子内部运动的频率相等时，原子就吸收一部分微波辐射能量并改变其结构。由于结构改变，绝原子不再被第二个非均匀磁场聚焦，结果射束减弱，不断调整无线电振荡器直至它的频率使射束强度减为最小值，此频窣就和原子内部运动的频率相等，读出微波振荡的数字就可用来测量时间，它的精确度很高，可以达到10-8秒/天，相对不稳定性甚至达到10-13。
铯射束钟比以前所有的时钟，包括依据地球的运行所测量的时间都准确，以致在1967年国际上对秒又重新定义为：“秒钟为铯原子镭射振荡9，192，631，770周期所持续的时间。”
对于某些目的——如无线电天文学中——比计时的绝对准确性更重要的是它们高度稳定性。为此目的，氢原子微波激射器（脉泽）能够提供比绝钟高100倍的稳定性。就像铯钟一样，氢原子微波激射器的稳定性也是由原子内部的周期运动决定的，这种运动是和质子的自旋与电子自旋之间的磁相互作用相联系着的，但观测的方法却有所不同。一束氢原子通过一个非均匀磁场，磁场有选择地只把高能状态的原子聚焦在一个聚四氟乙烯包裹的瓶子的小孔上，这个高能状态正是原子核和电子之间的磁相互作用所表征的。适当频率的微波照射瓶中的氢时，原子从高能状态转到低能态，能量得到释放，能量转移到辐射场，辐射场就会变强（、辐射的受激发射）。如果瓶中的氢是在一个能反射辐射场的腔内，辐射一经开始，不断进入瓶内的原子将提供必要的能量，辐射就会持续下去。这种仪器称作微波激射器像其它钟一样，振荡周期的数字（在这种情况是脉泽发射的微波周期）即可显示时间。可达到的稳定度超过每小时10-15。
如此高的精确性和稳定性，似乎不可能再有更大的进展了。然而，有理由希望，可能制造出通过改进现有的仪器和利用更新的原理的钟，比如，铯钟内的偏转磁场可以用激光束代替，氢微波激射器外的聚四氟乙烯壁可以用超流液体氦代替。同样，随着激光技术的发展，基础原子的振荡可以提高到很高的频率，有可能达到光学范围。
现在，可以用电磁场捕获带电离子和中性原子产生长时间周期，此外，还可以把原子冷却到很低的温度。方法是用低于共振频率的激光照在原子上，光被吸收，其能量比辐射的更低。根据能量守恒定律，在运动中的原子或离子损失能量并被冷却，这些被捕捉的过冷的离子和原子很可能产生基础的周期性，以制造未来更精确的时钟。
时间与相对论
无论狭义相对论还是广义相对论都已经深刻地改变了我们对于时间的理解。用现有的精确测量时间的方法可以直接观测到时钟的相对论效应：在各种极端条件下的时间测量的解释也要用到相对论。
狭义相对论可由以下两个基本假设导出：（1）物理定律的相对性原理，即对所有相对于某星体以恒定速度运动的观察者来说，物理定律都是一样的；（2）光速对所有这些独立的观察者来说是相同的。第一个公设由于其对称性因而是合理的；第二个公设是被试验所证实了的，尽管它与我们关于物体的运动经验（如接近和通过汽车时）相反。根据这两个公设，可以导出两个以恒速彼此相对运动的不同观察者测量到的时间和空间的关系，特别是每一个观察者都断定另一个观察者的时钟变慢了。这种奇怪现象证明很简单。这是一种运动学的效应，运用于所有依赖时间的过程之中，包括生命的和生物的过程，这个现象用现在高精度的原子钟可以很容易地观测到，时率的变化也可用快速运动的放射性粒子衰变次数的变化来观测。钟的这种时率变化可以引导我们进一步讨论孪生子佯谬。孪生的哥哥乘坐高速飞行的飞机外出旅行，回来后他比弟弟年轻了，因为哥哥必须改变他的速度才能回家。虽然这个问题有些复杂，但高速飞行飞机里的原子钟被带回家后，将可直接观测到时间的减少。
时间时率的不同使两件事情在不同地点的同时性失去意义。如果两个观测者彼此相对运动，观测不同地点的两个事件，一个观测者断定两件事同时发生，但另一个观测者则持否定态度；或者一个观测者断定A事件发生在B事件前，另一个观测者断定B事件发生在A事件前，由于A事件可能是B事件的原因，而B事件却发生在A事件前，人们对此感到很荒谬。回答是这种事不可能发生，对事件的重新排序不可能使原B发生在结果以后。
不同运动的观测者手里时钟的不同时率似乎可以得出令人不快的模棱两可的结论，时间的概念也许将变得没有用了。然而这不是事实。每个观测者有他自己“固有时间”，这个时间是观测者一直所持的时钟所测得的。所以、如果人们知道不同观测者的相对速度，也就可以利用相对论的数学关系式找出两个“固有时间”之间的关系。
在狭义相对论中，当人们比较两个观测者的观测结果时，位置坐标和时间（乘以光速）以类似的和混合的方式变换，所以就容易设想时间就是三维位置坐标另外再加的一维，四维坐标在一起就形成四维时空。从一个观测者到另外一个观测者的运动关系的变换，可由四维时空的广义旋转表示出来。
爱因斯坦的广义相对论克服了狭义相对论只能应用于恒速而不包括加速和万有引力的局限性。广义相对论以下面两个基本公设为基础：（1）狭义相对论只支配着局域物理学，然而，四维时空的整体结构是被质能压弯了的。（2）没有方法确定地区分引力和加速的不同。在由此推出的广义相对论中，时钟的时率不只取决于狭义相对论中表现的速度，还取决于引力势。比如，远离地球的时钟的时率比靠近地球的稍快些。虽然引力红移一般很小，不易被发现，但已被美国宇航局（NASA）火箭里的氢原子微波激射器所测得，引力势的不同程度越大，结果的差异就越大。比如，在中子星表面的时钟比地球上的时钟慢15%，在黑洞边缘的时钟从地球上看是停止的。（黑洞的引力非常大，即使光线也将被完全吸收）。
时间间隔精确测量的需要
似乎不需要像那些已取得的成果一样，对时间间隔的测量要求不可思议的高精度，未来在这方面的改进人们关注较少。但在许多应用中，有些已把目前时间的测量技术推到了极限。
在射电天文学中，人们用抛物面反射器观察来自星体的无线电波，像在光学天文学中，人们用光学望远镜观察来自星体的光波一样。不幸的是，无线电波波长大约是光波波长的100万倍，所以通常的射电望远镜的分辨率就要差100万倍，这是由于望远镜的分辨率取决于波长和镜孔的孔径的缘故。
如果在地球相对两面的两台射电望远镜观察同一个星体，当射电波分别进入时，在时间上进行对比。这种方法跟使用一个孔径与这两台望远镜之间距离相同的单个望远镜是相当的。这种组合的射电望远镜的分辨率甚至超过最大的单个光学望远镜。当然这需要进行精确的时间比较，需要有高稳定性的时钟。
在射电天文学中，令人振奋的发现是脉冲星。脉冲星以短周期脉冲形式发出辐射，用高精度时钟来测量脉冲周期和周期的变化，这些变化有时平稳有时激烈。从时间测量的观点看，特别有兴趣的是毫秒脉冲星，它们有明显稳定的周期，这种稳定性可以比得上最好的原子钟的稳定性。实际上这些脉冲双星中的一个是很稳定的，它甚至可以作为长周期的时间标准，快速旋转双星中的另一个的旋转周期则在缓慢地变化，这种旋转的变化归因于引力波的辐射所造成的能量损失，——这也是引力波存在的第一个实验证据。
精确的时钟可使建立全新的更准确的航行系统和全球定位系统（GPS）成为可能，一定数量的人造卫星携带着精确的原子钟，并发射准确的时间信号，观测者可以通过接收和分析这样的4个卫星上发射的信号来确定它的位置，距离误差在10码之内，而时间可准确到10-8秒之内。
如今时间已能很精确地被测量，以至于其他的一些基础测量有可能转化为时间的测量。长度的单位最近已被国际上定义为光在特定的时间里通过的距离。电压和电阻的基本单位也将很快被时间的测量所定义。
精确的计时为狭义相对论和广义相对论提供了重要的实验。在其中一个实验中，氢微波激射器被火箭携带发射到60000英里高空，它的周期随速度和高度的变化正是狭义相对论和广义相对论所预言的。
作为日期的时间
时间这个词和时间的单位经常在两种不同而相关的意义上被使用。一个是时间间隔的感觉，比如煮1个鸡蛋需要时间的秒数和分钟数，时间的这种意义到目前一直是常被讨论的题目。时间也用作日期的意义，如1987年12月12日美国东部时间下午2点零30秒。显然两种意义有着密切的联系，因为后者正是公认的起始点到指定时刻之间的时间间隔。即使国际上有了公认的秒的定义作为时间的单位，也有了作为记录日期的时间的起始事件，但由于地球自转不可预知的无规律性，真正记录日期仍然是很复杂的。如果日和年由原子钟唯一地定义，那么地球在自转过程中与太阳和星体的关系就有可能被改变；这将引起混乱，会给天文学家、航行家以及其他观测者带来不便。所以，国际上赞同官方作为日期意义的时间以精确的原子钟作为基础，但非经常的闰秒用来修正地球自转的不规则性。国际协议的时间称作协调宇宙时间或简称UTC。几个主要国家的国家标准实验室把自己测得的标准原子时间提供给设在巴黎的国际标准局。在那里，这些标准被适当地平均，从而得到协调宇宙时间。非经常的闰秒以天文观测为基础，保证给出的UTC时间同地球不规则的自转相同步。这个闰秒大于0.7秒，目前大约每一年半需要一次闰秒修正。
时间测量现在已相当精确，但地球表面的相对论性效应必须被扣除。在1980年UTC的定义已被修改，指定凡决定UTC的不同原子钟必须把测量结果根据相对论减小到它的旋转水平面上应有的值（水平面定义为和各大洲都接触的主要海平面，设置在水平面上的时钟有确定的相对论性修正）。在克罗拉多州的丹佛，时钟的相对论性修正为：海平面之上1英里是2.5×10-13。
时间与量子力学
本世纪对物理宇宙的理解，发生了两次伟大的革命，一个是相对论，另一个是量子力学，两者都与时间和时间的测量有很大的牵连。相对论在时间上的影响已经讨论过了，量子力学的三个特征对时间及其测量也有着特别深刻的影响。第一个是不连续的量子能级的存在；第二个是同一性原理。人们有很强的理由相信，两个同种原子并非完全相同，但它们却有精确的同一性；第三个是海森伯的测不准原理。
前两个原理基于已获得原子钟的高精度。原子的同一性利用在特定的原子钟内，此特定的原子能级的不连续性保证了由所有同种原子结构的原子钟所得到的结果相同，同样也保证无论是英国的还是美国的绝，用它们制造的绝原子钟测得的时间是一样的。
海森伯测不准原理从另一方面给出了时间测量的极限。根据这个原理任何时间测量必定伴随着一个不确定量?t。测得量子能量的不确定量?w与?t的乘积将大于或等于h/4π，这里h是普朗克常数（6.626×10-34焦耳秒）。海森伯测不准原理能够真正提供一个测量原子态短寿命的限制，但当使用铯原子和氢原子长寿命态的强射束时，海森伯测不准原理就不能给出有特殊意义的测量精度的极限。
早期宇宙的时间
最初相对论和量子力学是独立发展的，但我们对物理宇宙的彻底理解，很明显地需要把这两种不同的理论融合在一起变为一个广泛的理论。到目前为止，量子力学和狭义相对论的结合已经完成，但是在结合量子力学和广义相对论为单一的广泛理论的工作中还没有一个人取得成功。同样地，至今仍没有一个令人满意的引力量子理论，虽然关于基本粒子之间其他力的统一量子理论近来已经取得很大的进展。
近几年来我们关于宇宙论和早期宇宙的观念已经有了很大的进步，现在已有相当多的证据支持宇宙早期的“热大爆炸”理论。这个理论假设，约150亿年前，时空突然开始膨胀，形成了我们现在这样的宇宙。在外部空间观测到的辐射噪声和高能粒子物理的实验和理论，为这个理论提供了一定的证明。高能粒子物理学给出了关于宇宙早期处于高压状态下的粒子相互作用的有价值的信息，而宇宙论则给出了比任何加速器希望得到的能量还要高的能量粒子相互作用的信息。近几年来已可以明显看出，在所有这些学科——广义相对论、量子力学、粒子物理学和宇宙学之间有着很强的相互影响，每一领域的理论都对其他理论的发展作出贡献并依赖于其他理论。各个领域中还没有一个令人彻底满意的理论存在，直到所有这些理论结合为一个统一的理论之后，每一个领域才有可能获得更完全的理解。虽然正在作出很大的努力，并且已经取得一些成就，例如最近流行的超弦理论就是其中之一，但形成统一理论还仍需走很长的路。直到产生统一理论为止，必须小心地把我们目前的时间观念推到极端状况，比如一直到黑洞的边缘。
在极短的时间间隔内时间的意义将变得非常模糊。一个新奇的非常短的时间间隔是所谓的普朗克时间，在这个时间内光通过的距离极小，任何物体都被限制在这个尺寸之内，根据现在的量子力学理论和引力理论它必定是个黑洞。普朗克时间极短，为5.4×10-44秒，在宇宙大爆炸开始之前，只有这么长的时间，当然密度很大，各处都是黑洞。我们可能需要用由量子力学、引力理论、基本粒子理论和宇宙学的统一理论来清楚认识当时环境下的时间意义，这个统一理论以及实验验证的发展将是下一个世纪人类所而临的挑战。
[AAPPS Bulletin，（亚太地区物理学会会刊），Vol. 1. No. 1 1991年6月]