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多个世纪以来，人们通过计数高度规则的周期性运动的震荡（如太阳、钟摆或石英晶体）来测量时间。在过去的50年中，科学家们转向通过原子内部的电磁振荡来测量时间。原子钟定义了S1秒，这是时间的基本单位。2013年初，一篇发表在《Sciences》杂志上的研究论文，介绍了一种全新的原子钟方案——用原子的质量来确定一个时间标准。通俗地说，就是通过原子的质量来测量时间。这一发现可能带来对时间更为精确的测量以及对千克的新的定义。
质量和时间，在经典物理学中这是两个完全不相关的物理量，曾完全属于井水与河水互不相犯。经典物理学中（以你在课本上学到的牛顿力学为主），时间和空间都是孤独的背景。无论物质是质点还是刚体，或者是经典的场，都在时间和空间中运动，同时对时间和空间本身丝毫不产生影响。在经典物理学中，质量被看做是物质本身的“固有属性”，与时间空间都毫不相关。
尺变短与钟变慢
20世纪初，相对论和量子力学逐渐取代了经典物理学的地位。现代物理学正是完全地建立在量子力学和相对论基础之上。爱因斯坦在1905年建立的狭义相对论，第一次使人类发现了时间、空间与物质的运动之间深层次的联系。两个相对运动的参照系，各自会测量到对方的时间和空间大小与自己的不同。通俗点说，一个一米长的物体摆在你面前时是一米，当这个物体高速从你眼前飞过时，你测量出它的长度将小于一米！对于时间也是一样。一个钟表摆在你面前时，你手机上的时钟走一秒钟这个钟表也走一秒钟，但是当这个钟表从你眼前高速飞过时，你手机上时钟走了一秒后这个钟表走的却不到一秒。这就是“尺变短”和“钟变慢”效应。狭义相对论揭示了我们看到的时间和空间的大小受物质运动的影响！
物质与时空
20世纪20年代，量子力学的建立使人类发现，不仅仅是物质的运动，而是物质本身一切的固有属性都和时间、空间紧密相关！物质不再是经典物理学中的质点或刚体，而是一种同时具有粒子性和波动性的东西。其中波动性说明了任何组成物质的粒子都具有“波长”和“频率”这两个和时间、空间密切相关的物理量！“频率=1/周期”“波速=波长/周期=波长×频率”，相信这两个公式在你的物理考卷或作业中，曾经或已经或即将出现多次。
量子力学中，粒子的频率（v）和能量（E）这两个物理量呈现简单的正比关系E=hv。由于频率v是周期T的倒数，能精确测量频率v就代表能精确测量周期T。那么如果以这个周期丁为最小单元，我们就能够精确测量时间，即任何一段时间T都可以表示成由整数个T组成。那么自然T越小，我们测量时间的最小单元也就越小，即T的大小决定了一段时间T的“分辨率”。同时T本身的精确程度也直接决定了这段时间T的精确程度。
原子钟之原理
由于丁和v是简单的倒数关系，越小的丁也代表着我们需要越大的v。传统的原子钟就是利用微波或光学技术找到一个比较大的频率v并精确测量这个v的值，从而精确测量一个比较小的T。无论是美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统还是我国的北斗系统，每一颗卫星上用到的原子钟都是这种类型的微波原子钟。高的空间定位精度就靠这些原子钟高的时间精度来实现。
随着20世纪末离子和原子囚禁技术、激光冷却原子和离子技术的发展，在提高传统原子钟性能的同时（使丁的不确定度达到10-16。量级），又出现了工作在可见光频率（通常是1014量级）的原子钟。即利用原子（或离子）在两个频率差为可见光频率的能级之间的跃迁来吸收和发射可见光频率的光子，然后通过新的技术（光频梳）直接测量这些可见光光子的频率，获得更大的v，即更小的丁（通常10-15量级）。同时丁的不确定度可达10-17（秒）量级。这种原子钟已经在美国国家标准局（NIST）研制成功，有望成为新一代的世界时间基准。质量测时间
那么，如何用原子质量来取代原子能级间的跃迁，来得到一个很大并且很精确的v？这里需要温习下狭义相对论：狭义相对论不仅包括“尺变短”和“钟变慢”，同时还有另一个非常重要的结论，那就是著名的质能方程E=mc2，即一个原子所包含的能量E是它的质量m乘上光速c的平方。
量子力学告诉我们E=hv，相对论又告诉我们E=mc2。那么结合两者，频率v自然与原子质量m联系到了一起，即v=mc2/h。这个频率被称为康普顿频率。同理，最小时间单元T就是h/mc2。这个T本身的数量级非常小。因为普朗克常数h是10-34（千克×平方米，秒）量级，光速C是108（米/秒）量级，对于铷和铯等原子钟常用的原子来说，m是10-26（千克）量级，所以你应该很容易估算T的量级为10-26（秒），这要远远小于目前所有原子钟的最小时间单元丁（T对应频率v为1026量级，为伽马射线的频率）。
这个原子质量对应的丁已经远远小于它那些电子能级的跃迁频率所对应的丁，那么实验上的难点就是如何精确测量丁的大小，即减小丁的T不确定度。本文开头提到的《Sciences》杂志上的实验就是一次有意义的尝试。研究人员把铯原子的玻色一爱因斯坦凝聚体（世界上最接近绝对零度的物态）一分为二，通过激光控制其中一个来测量铯原子的光子反冲频率。这等于用一个很容易高精度测量的物理量（反冲频率）来间接测量一个不容易测量的物理量（时间）。
当然这种测量方法还受到普朗克常数的精度和铯原子质量精确度的限制，想要超过目前原子钟的精确度还有很长的路要走。但毫无疑问的是，这种方法在实验上连接了时间和质量的测量。用逆向思维我们就容易想到，可以用原子钟的时间精确度来标定原子质量的精确度，进而重新给“千克”做定义。时间和质量这两个物理量之间的深层次联系让这一切变得可能。
质量和时间，在经典物理学中这是两个完全不相关的物理量，曾完全属于井水与河水互不相犯。经典物理学中（以你在课本上学到的牛顿力学为主），时间和空间都是孤独的背景。无论物质是质点还是刚体，或者是经典的场，都在时间和空间中运动，同时对时间和空间本身丝毫不产生影响。在经典物理学中，质量被看做是物质本身的“固有属性”，与时间空间都毫不相关。
尺变短与钟变慢
20世纪初，相对论和量子力学逐渐取代了经典物理学的地位。现代物理学正是完全地建立在量子力学和相对论基础之上。爱因斯坦在1905年建立的狭义相对论，第一次使人类发现了时间、空间与物质的运动之间深层次的联系。两个相对运动的参照系，各自会测量到对方的时间和空间大小与自己的不同。通俗点说，一个一米长的物体摆在你面前时是一米，当这个物体高速从你眼前飞过时，你测量出它的长度将小于一米！对于时间也是一样。一个钟表摆在你面前时，你手机上的时钟走一秒钟这个钟表也走一秒钟，但是当这个钟表从你眼前高速飞过时，你手机上时钟走了一秒后这个钟表走的却不到一秒。这就是“尺变短”和“钟变慢”效应。狭义相对论揭示了我们看到的时间和空间的大小受物质运动的影响！
物质与时空
20世纪20年代，量子力学的建立使人类发现，不仅仅是物质的运动，而是物质本身一切的固有属性都和时间、空间紧密相关！物质不再是经典物理学中的质点或刚体，而是一种同时具有粒子性和波动性的东西。其中波动性说明了任何组成物质的粒子都具有“波长”和“频率”这两个和时间、空间密切相关的物理量！“频率=1/周期”“波速=波长/周期=波长×频率”，相信这两个公式在你的物理考卷或作业中，曾经或已经或即将出现多次。
量子力学中，粒子的频率（v）和能量（E）这两个物理量呈现简单的正比关系E=hv。由于频率v是周期T的倒数，能精确测量频率v就代表能精确测量周期T。那么如果以这个周期丁为最小单元，我们就能够精确测量时间，即任何一段时间T都可以表示成由整数个T组成。那么自然T越小，我们测量时间的最小单元也就越小，即T的大小决定了一段时间T的“分辨率”。同时T本身的精确程度也直接决定了这段时间T的精确程度。
原子钟之原理
由于丁和v是简单的倒数关系，越小的丁也代表着我们需要越大的v。传统的原子钟就是利用微波或光学技术找到一个比较大的频率v并精确测量这个v的值，从而精确测量一个比较小的T。无论是美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统还是我国的北斗系统，每一颗卫星上用到的原子钟都是这种类型的微波原子钟。高的空间定位精度就靠这些原子钟高的时间精度来实现。
随着20世纪末离子和原子囚禁技术、激光冷却原子和离子技术的发展，在提高传统原子钟性能的同时（使丁的不确定度达到10-16。量级），又出现了工作在可见光频率（通常是1014量级）的原子钟。即利用原子（或离子）在两个频率差为可见光频率的能级之间的跃迁来吸收和发射可见光频率的光子，然后通过新的技术（光频梳）直接测量这些可见光光子的频率，获得更大的v，即更小的丁（通常10-15量级）。同时丁的不确定度可达10-17（秒）量级。这种原子钟已经在美国国家标准局（NIST）研制成功，有望成为新一代的世界时间基准。质量测时间
那么，如何用原子质量来取代原子能级间的跃迁，来得到一个很大并且很精确的v？这里需要温习下狭义相对论：狭义相对论不仅包括“尺变短”和“钟变慢”，同时还有另一个非常重要的结论，那就是著名的质能方程E=mc2，即一个原子所包含的能量E是它的质量m乘上光速c的平方。
量子力学告诉我们E=hv，相对论又告诉我们E=mc2。那么结合两者，频率v自然与原子质量m联系到了一起，即v=mc2/h。这个频率被称为康普顿频率。同理，最小时间单元T就是h/mc2。这个T本身的数量级非常小。因为普朗克常数h是10-34（千克×平方米，秒）量级，光速C是108（米/秒）量级，对于铷和铯等原子钟常用的原子来说，m是10-26（千克）量级，所以你应该很容易估算T的量级为10-26（秒），这要远远小于目前所有原子钟的最小时间单元丁（T对应频率v为1026量级，为伽马射线的频率）。
这个原子质量对应的丁已经远远小于它那些电子能级的跃迁频率所对应的丁，那么实验上的难点就是如何精确测量丁的大小，即减小丁的T不确定度。本文开头提到的《Sciences》杂志上的实验就是一次有意义的尝试。研究人员把铯原子的玻色一爱因斯坦凝聚体（世界上最接近绝对零度的物态）一分为二，通过激光控制其中一个来测量铯原子的光子反冲频率。这等于用一个很容易高精度测量的物理量（反冲频率）来间接测量一个不容易测量的物理量（时间）。
当然这种测量方法还受到普朗克常数的精度和铯原子质量精确度的限制，想要超过目前原子钟的精确度还有很长的路要走。但毫无疑问的是，这种方法在实验上连接了时间和质量的测量。用逆向思维我们就容易想到，可以用原子钟的时间精确度来标定原子质量的精确度，进而重新给“千克”做定义。时间和质量这两个物理量之间的深层次联系让这一切变得可能。