1秒究竟為什么是1秒？

差評君

銫原子鐘又被人們形象地稱作“噴泉鐘”，因?yàn)殇C原子鐘的工作過程是銫原子像噴泉一樣進(jìn)行“升降”。這一運(yùn)動(dòng)使得頻率的計(jì)算更加精確。

從物理學(xué)的角度講，時(shí)間是不存在的。時(shí)間是一種物質(zhì)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，是為了人們更方便描述世界而虛構(gòu)出來的一種抽象概念。比如我們看到了晝夜交替，就有了“天”的概念。再把一天等分成86400份，就得到了“秒”。正是因?yàn)闀r(shí)間無形，如何定義和測量時(shí)間一直都是令人類頭疼的問題。

“時(shí)間”的歷史

在公元前，古埃及人簡單地用日光和影子來估算時(shí)間。這種方法直觀是直觀，但缺點(diǎn)就是只能靠它辨認(rèn)出上午、中午和下午。后來日晷誕生了，雖然都是靠日照投射影子來判斷時(shí)間，但因?yàn)槎嗔丝潭?，所以把時(shí)間劃分到了具體的時(shí)段。精準(zhǔn)一些的日晷甚至能把一天中時(shí)間的誤差控制在15分鐘內(nèi)。但這類時(shí)鐘都有個(gè)致命的缺陷：它們都需要“太陽”，一旦趕上陰天下雨太陽落山，大家就不知道時(shí)間了。后來人們發(fā)現(xiàn)水的流速也是相對穩(wěn)定的。于是將水滴入帶有刻度的盆中，通過水位的高低就能判斷時(shí)間。這種計(jì)時(shí)的方式確實(shí)解決了“太陽鐘”的局限，但到了冬天，北方就用不了水鐘了，而夏天水分也會(huì)蒸發(fā)，所以還是不夠精準(zhǔn)。直到“機(jī)械時(shí)代”到來，時(shí)鐘才真正開始精確起來。

用水銀做鐘擺，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，水銀會(huì)膨脹，液面高度也會(huì)上升，整個(gè)鐘擺的重心就會(huì)微微提高。溫度下降，鐘擺的重心也就隨之下降。這樣，即使溫度改變了，擺動(dòng)周期也不會(huì)改變。

1583年，一個(gè)年輕人注意到天花板上的吊燈一直在晃來晃去，但好像每次晃動(dòng)的時(shí)間都是差不多的。于是回家后他又做了幾次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不管下面懸掛的重物質(zhì)量是多少，只要單擺的長度不變，它擺動(dòng)一圈的時(shí)間都是一樣的。于是他提出了單擺的等時(shí)性原理，而這個(gè)年輕人就是伽利略。到了17世紀(jì)，荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯發(fā)明了擺鐘，他將鐘擺和擒縱器連接，利用單擺的等時(shí)性來控制齒輪的轉(zhuǎn)速，就能讓“時(shí)間”勻速前進(jìn)了。后來人們進(jìn)一步改進(jìn)了擺鐘，將標(biāo)準(zhǔn)擺長設(shè)為0.994米，就能使其每次從左到右的擺動(dòng)用時(shí)，穩(wěn)定在1秒。18世紀(jì)左右，最精準(zhǔn)的擺鐘甚至還用上了水銀來進(jìn)行溫度自補(bǔ)償，以解決溫度變化帶來的誤差，這樣擺鐘每天的誤差不會(huì)超過2秒。

但當(dāng)歐洲的擺鐘漂洋過海來到美洲的時(shí)候，開始不準(zhǔn)了。本來應(yīng)該誤差在2秒以內(nèi)的擺鐘，每天卻慢了30多秒，一周下來誤差就接近5分鐘了。一開始大家以為是在跨越大西洋的過程中把它給弄壞了，于是又把擺鐘從美洲送回了荷蘭去修理，結(jié)果回到荷蘭，擺鐘非常精準(zhǔn)，每天的誤差還是2秒。這個(gè)現(xiàn)象讓人百思不得其解，直到一顆蘋果砸在牛頓的頭上。

因?yàn)榈厍蛑亓铀俣鹊臄?shù)值不是一個(gè)固定值。比如兩極地區(qū)，重力加速度超過了9.83m/s?，而赤道地區(qū)是9.78m/s?。鐘擺是在重力作用下不斷擺動(dòng)的，所以引力不同，自然而然就出現(xiàn)了誤差。通過仔細(xì)計(jì)算就可以得出，如果兩級和赤道分別有兩個(gè)擺鐘，那它們一天的誤差大概是3分48秒。所以想要解決擺鐘時(shí)間誤差的問題，就要根據(jù)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葋碚{(diào)整擺長。從17世紀(jì)到20世紀(jì)，擺鐘成為人類最精確的計(jì)時(shí)工具，但它依舊每天會(huì)有2秒誤差。

為了提高“時(shí)間”的精度，人們找到了一種更規(guī)律的運(yùn)動(dòng)——石英。石英鐘表的誤差非常小，基本都能控制在1秒以內(nèi)，精確的石英鐘表甚至能做到正負(fù)十萬分之一秒的誤差，也就是運(yùn)行270年才會(huì)出現(xiàn)正負(fù)1秒的誤差。而且石英鐘表內(nèi)部沒有精密的構(gòu)造，它的價(jià)格也要比擺鐘或者機(jī)械表便宜很多。從20世紀(jì)20年代開始，石英鐘表成了人類主流的計(jì)時(shí)工具。但是，人們很快發(fā)現(xiàn)，石英鐘表也不夠用了。因?yàn)樗木葧?huì)隨著石英晶體的老化而不斷下降，所以使用時(shí)間越長，誤差也就越大。于是人們就想找到一種比石英鐘表更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)，那就是原子的振動(dòng)頻率。

原子時(shí)與世界時(shí)

銫原子在它的最外層有一個(gè)電子不斷繞著原子核旋轉(zhuǎn)，電子會(huì)處于不同的能量狀態(tài)，叫作能級。低能級的電子吸收特定的能量就會(huì)躍遷到高能級，反之高能級的電子也會(huì)回落到低能級，過程中也會(huì)釋放出相同的能量。原子分立能態(tài)之間躍遷時(shí)發(fā)射或吸收的電磁波的頻率，也叫原子的固有共振頻率。于是人們想到，如何能夠抓住這種原子的固有共振頻率呢？

石英石英這種晶體具有壓電效應(yīng)，也就是在電力作用下會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的振動(dòng)——平均每秒振動(dòng)32768次。石英鐘的主要部件是一個(gè)很穩(wěn)定的石英振蕩器，將石英振蕩器所產(chǎn)生的振蕩頻率取出來，用它帶動(dòng)秒針挪動(dòng)一步，就可以得到更精確的“時(shí)間”。

1975年，德國物理學(xué)家漢斯·格奧爾格·德默爾特提出了一個(gè)設(shè)想——用激光降低原子的動(dòng)能，從而給原子制冷。最先驗(yàn)證漢斯設(shè)想的是美國物理學(xué)家朱棣文，他利用激光冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人類第一次對微觀粒子的操控。1997年，他和另外兩位科學(xué)家因“開創(chuàng)了用激光冷卻和捕獲原子的方法”獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。根據(jù)這個(gè)方法，科學(xué)家們發(fā)明了冷原子噴泉鐘，他們發(fā)現(xiàn)在銫原子的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷，所需要的光的頻率必須是9192631770Hz。于是在1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)上，科學(xué)家們正式定義了“1秒鐘”——銫原子（133Cs）基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級間躍遷輻射振蕩9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間為1秒。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也一直沿用到今天。

我國最新的NIM6銫原子噴泉鐘，計(jì)時(shí)精度能達(dá)到5400萬年不差1秒，也就是從古新世（距今6500萬年—距今5300萬年）到今天，誤差都不會(huì)超過1秒。目前世界上最精準(zhǔn)的原子鐘是科羅拉多大學(xué)葉軍團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鍶原子光鐘，大約3000億年（經(jīng)過30個(gè)太陽的壽命）才相差1秒。這個(gè)精確程度絕對不是石英鐘表比得了的，原子鐘的發(fā)明讓人類擺脫了以地球自轉(zhuǎn)來定義的世界時(shí)，邁向了以原子共振為基礎(chǔ)的原子時(shí)。

但生活中卻不需要每時(shí)每刻都精確到納秒，所以將原子時(shí)的秒長和世界時(shí)的時(shí)刻結(jié)合，就得到了我們現(xiàn)在所使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。在北京時(shí)間2017年1月1日出現(xiàn)了7：59：60這樣的特殊時(shí)間，也就是說在這天的7：59分有真正的第60秒，這1秒被稱為“閏秒”。從1972年開始，全球已經(jīng)經(jīng)歷了27次閏秒，而且都是正閏秒。不過地球的自轉(zhuǎn)變化也不規(guī)律，所以什么時(shí)候加1秒或減1秒，都得聽天由命。我國的協(xié)調(diào)世界時(shí)由位于陜西省西安市的中國科學(xué)院國家授時(shí)中心發(fā)布，然后再以長短波、電話、網(wǎng)絡(luò)、電視、衛(wèi)星等方式授時(shí)給各個(gè)終端。

時(shí)間有必要如此精確嗎？

有，而且很重要。大家都用過地圖的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，定位基本能夠精確到1米以內(nèi)。因?yàn)槊恳活w衛(wèi)星都在不斷發(fā)射包含位置和時(shí)間的無線電信號，但如果沒有原子鐘的精度，即使誤差只有0.1秒，再乘以信號傳遞時(shí)的光速，衛(wèi)星定位的結(jié)果就會(huì)差之千里。所以原子鐘的精度越高，也就意味著定位越精準(zhǔn)，原子鐘也被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的心臟，我國的北斗衛(wèi)星就用了銣原子鐘和氫原子鐘。除了航天系統(tǒng)，在電網(wǎng)、金融、通訊、交通、氣象等領(lǐng)域也都需要高精度授時(shí)。例如我們用的交流電中的電流方向就是隨時(shí)間變化的。當(dāng)不同的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，如果時(shí)間不一致，電流的波峰波谷就不一致，輕則帶來多余的能量損耗，重則就會(huì)直接短路，造成大規(guī)模停電和電網(wǎng)癱瘓。

而且，原子鐘還印證了愛因斯坦的相對論。廣義相對論曾預(yù)言了時(shí)間的膨脹效應(yīng)，也就是引力越大，時(shí)間越慢。當(dāng)你把兩個(gè)鐘表放在不同的高度，時(shí)間流逝的速度也不一樣。但因?yàn)闀r(shí)差太小，普通的鐘表根本看不出來。這時(shí)候原子鐘就發(fā)揮作用了。如果把一個(gè)原子鐘放在海平面，另一個(gè)放在珠峰峰頂，就會(huì)發(fā)現(xiàn)山頂?shù)脑隅娒刻炜烊f分之一秒。所以理論上，你的頭會(huì)比腳老得更快一些，住在樓上會(huì)比住樓下的時(shí)間過得更快，但是這個(gè)時(shí)差可能你終其一生都感受不到。

（責(zé)編：南名俊岳）