冬奥会赛事已经过半，赛场上依然精彩纷呈。从开赛第二天的短道速滑2000米混合接力比赛中国队以0.016秒的优势险胜意大利队，到2月12日男子500米速滑高亭宇打破世界纪录夺冠，都无不激动人心。奥运比赛到底精彩在那里？是运动员在赛场上展现出来的力量、速度、信念和热血，鼓舞和感染了赛场内外的观众？还是比赛本身带有的不确定性使得赛场总是出乎意料，激动人心？还是因为运动员身上洋溢出来的阳光体魄和健康美，让人赏心悦目？应该还不止这些。可能正是因为奥运比赛集众多魅力于一身，所以它才吸引了亿万观众每天在电视机前翘首以待。

　　说体育赛场就像战场，应该不为过。比赛既是技术比拼也是科技的较量。比赛之所以精彩，计时仪器的助力功不可没！可以说没有决不出胜负的比赛，只有拖了后腿的计时仪器。

　　时间一直被人们用于比较事物发生的先后顺序，我们只需说出每件事发生的时间坐标，就可以比较它们发生的先后顺序。现代奥运会的速度比赛，运动员们争的往往就是那千分之一秒，这可比眨眼还快很多，我们平时说的“一眨眼的时间”，其实大约需要0.3秒。那么如何精确地判定事物发生时时间上细微的先后差距呢？道理是一样的，读出事件发生和结束的时间坐标就可以了。但是我们要做的就是更进一步地卡准时间坐标轴上点的位置，比如起点和终点，并将点与点之间的时间间隔细分再细分。道理说起来挺容易的，但落实到技术上，比如，如何消除起点和终点计时误差、提升整个赛程的时间测量精度，可费了百年的功夫。近百年来，奥运记录不断被刷新，计时的精度也跟着水涨船高。

　　靠肉眼看？早就一去不复返了！

　　来，直接上图。图为2月12日男子500米速滑决赛（截图来自央视频）。

　　两位运动员成绩显示都是35.16，打成平手？不可能！这里再重复下这句话“没有决不出胜负的比赛，只有拖了后腿的计时仪器！”。果然，赛事组织者留了一手。这里，用于发布的时间只精确到百分之一秒，就是你在截屏图片上看到的保留到小数点后两位。但其实奥林匹克计时标准必须精确到毫秒量级，也就是小数点后三位。略微等待几秒钟之后，成绩出来了，加拿大选手35.162，意大利选手35.168，加拿大选手以0.006秒险胜！这种毫秒量级的细微差别当然是靠肉眼分不出区别来的！

　　其实肉眼判断比赛胜负的时代早在1912年瑞典斯德哥尔摩奥运会上就已经终结。这得感谢电影之父埃德沃德.迈布里奇。你没看错，人家确实是文艺界的，可能这就是所谓的“蝴蝶效应”，一个不同领域的创意无意间竟导致了奥运计时领域的革新。1872年，当时有一个长期困扰艺术界的问题就是“画马奔跑的时候，是否有一瞬间马儿四蹄腿同时离地了呢？”迈布里奇接受这一研究课题的委托，天才地设计出一套由多架相机组成的感应装置，马在奔跑过程中依次踢断连接在不同相机快门上的绳子从而触发相机快门，这样就可以拍摄到一组马匹运动的姿态。为了纪念这一创意，迈布里奇在拍摄奔马时所用到的线就被称为“迈布里奇线”。我们知道，人的肉眼快门速度在1/100~1/200s间，但它无法将瞬间凝固下来，所以无法判断出奔马的四蹄是否悬空。同理，当多个参赛者几乎同时冲过终点线时，肉眼也无法判断出谁率先冲线。受迈布里奇线的启发，1912年斯德哥尔摩奥运会上第一次采用了终点摄像技术，通过照相将瞬间凝固下来以便裁判后期判断。

　　二战的军备竞赛催生出计时的电子时代。如果说机械时代的计时的精度在1/10秒的话，那么电子时代计时仪器的精度可达1/100秒，并且利用电子设备解决比赛开始和结束人工计时误差，可以进一步将计时精度提高到1/1000秒。在1948年的奥运会上，终点摄像技术进一步进化为终点电子摄像技术，又称“魔眼”，第一次使计时成为一个全自动化的、整合的系统。这台终点摄影机与一个电子手枪相连，触发电子手枪开始比赛并计时。相机的框架上有一个十分之一毫米的狭缝，与终点线完全对齐，运动员冲过终点线时阻挡光线完成拍摄和计时，可谓一气呵成。

　　所谓没有对比就没有伤害，优秀全靠对比衬托啊。我们回过头来看看1896年第一届近现代奥运会上所使用的计时仪器吧。

　　它其实就跟我们小时候体育课上用到的码表差不多，由裁判手动触发码表开始和结束比赛。缺点显而易见，除了计时的各种人为反应误差、判断误差，还有不同计时品牌间的误差。虽说上世纪初期受制于生产力条件限制，但人们还是可以通过一些方法提升计时精度，比如，统一计时仪器和在同一赛事中使用多名裁判计分，最后求取平均数等。但这些方法的计时精度只能到1/5秒，当然是分辨不出百分秒和千分秒之差的，也就没什么公平性可言了！

　　所以说“魔眼”的出现意义非凡，它终结了人力计时的时代。而迈布里奇冲带线至此也完成了它的历史使命，逐渐退出了历史舞台。但“冲线”这个词却保留了下来，并延用至今，成为了体育比赛的常用语。并且“冲线”的“线”也成为了现今无论赛事大小，非常有意思的终点摆设。

　　可以说现代奥运计时系统就是在“魔眼”系统的基础上修修补补升级改造逐渐完善起来的。毫不夸张的说，除了可以忽略不计的线路传输误差，现代奥运的计时技术已经让赛事排名变得不会再会有争议了。

　　吃瓜群众看到这里不禁要问了，原来计时系统有那么多的科技含量？撇开奥运说，时间是目前测量精度最高的物理量，没有之一。计时系统的精度决不止千分秒量级，你可能想不到吧，锶原子光钟的精度可是阿秒量级的，即10的-18次方！这不，科学研究上使用的计时仪器来奥运会帮忙了么。图为奥运版原子钟——量子计时器（图片来自swisswatch官网）。

　　来，继续上图，有图才有真相，看看最近几届奥运会新上线的计时系统。图为2月12日男子500米速滑决赛（截图来自央视频）。

　　你以为你看到的是把发令枪？那你就真的被它的外观所蒙蔽了，其实它就是个开关。

　　这个红色小手枪的真实名字叫电子启动系统，当你扣动扳机，它会同时做三件事：灯光闪烁、发送计时启动脉冲信号，同时启动位于赛场上的多个扬声器播放“枪声”。它与2012年伦敦奥运上首秀的压力感应起跑器和量子计时器保持时间同步。压力感应起跑器内置传感器，通过运动员施加在上面的蹬力来判断每个运动员起跑的反应时间，从而消除了抢跑判断的争议。而量子计时器实则是一种原子钟，用来测量比赛持续的时间。它由美国国家标准技术研究院开发，这家机构简称NIST，它所保持的标准时间叫做UTC(NIST)，做时频的人都知道，这家单位是美国参与国际原子时归算的2家单位之一，所以人家可是来自时频计量领域国家队的，做科研之余，顺便到商业圈打个酱油，小试牛刀。它使用激光冷却原子，并把它们囚禁在电磁场中，计时精度可达1/1000000秒，即微秒量级（披露资料有限，关于它的工作机制只能写道这里了）。

　　这么炫酷的科技，在奥运赛场上能用得到吗？当然用得到了，因为计时系统其实也是奥运赛场上重要的裁判员嘛。前面说了那么多如何解决终点计时误差的问题，这不还有两个起点计时误差和时间测量精度的问题么，比如：如何判断抢跑？如何解决声音传播的时延？如何将时间间隔分细分细再分细？我们知道普通人的大脑反应速度大概是0.2s，也就是说运动员听到发令枪响后作出反应的时间不可能少于0.2s，如果是少于0.2s了，则就是抢跑了。另外，以田径赛道为例，两条田径赛道之间的宽度为1.2米，8条赛道总宽9.6米。裁判发令枪响启动比赛，声音传播速度340米/秒，则从最外侧跑道传至最内侧跑道耗时接近0.03秒。所谓“失之毫厘，差之千里”，以去年东京奥运会苏炳添参赛的男子百米决赛排名成绩为例：金牌9.80秒，银牌9.84秒，铜牌9.89秒，第四名9.93秒，第五名9.95秒，第六名苏炳添9.98秒，会发现先后排名的时间差距在0.02~0.05秒之内。那么内外侧赛道0.03秒的声音传播延迟，可能就会阻碍新飞人的诞生。所以量子计时器及其配套系统的出现，优化了整套计时系统，从根本上消除了起点和终点的计时误差，并使计时精度得到进一步提升。

　　说回到原子钟。原子钟可是世界上最精密的时间测量仪器，它的基础是量子跃迁，即电子在不同能级之间的变换。电子从一个能级跃迁到另外一个能级，都会辐射出去一个光子，这个光子的振荡频率是固定的，比如铯133的一个振荡频率为9192631770Hz。利用原子的振荡频率可以制作出高精度的原子钟，比如铯原子钟、铷原子钟、氢原子钟等，其中铯原子喷泉钟计时精度可以达到2000万年不差一秒。有人可能会说了，人又活不了那么长，要这么高精度的钟有什么用呢！此言差矣。航空航天任务、卫星导航定位等对时间精度要求非常高的地方都需要用到原子钟，以卫星定位来说，卫星信号的传播速度是3*108米/秒，所以时间上如果有0.01秒的误差，则定位误差为3000km，大致相当于上海到乌鲁木齐的距离，更何谈人们翘首以盼的需要分清左右车道的无人驾驶技术呢。现在，奥运会也用上了最精密的计时仪器，亦可谓是把计时做到了极致，守护了公平与公正的奥林匹克精神。但是科学探索无止境，在“更快、更高、更强、更团结”的奥林匹克格言的感召下，竞技体育挑战亦无止境，科技领域每一次革命性的创新，都会引发无限可能，期待未来科技进步会进一步刷新高精度时间频率在社会民生领域应用的深度和广度，让科技造福于百姓的美好生活！

　　参考文献：swatch group官网

　　《北京时间》李孝辉 窦忠 赵晓辉