是時候重新定義“秒”了嗎

謝懿

第一次重新定義

時間的流逝是一個謎，許多物理學家甚至認為它不過是幻覺。鐘面時間是人類的發明，它的單位是小時、分和秒，由此地球繞其自轉軸轉動一周的時長，也就是“天”的長度，才得以被劃分。17世紀，當天文學家克里斯蒂安·惠更斯發明擺鐘時，1秒被定義為1個太陽日的1/86400，即1天=24小時，1小時=60分，1分=60秒。

但是，地球的自轉并不是恒定的。地球自轉的時長每天會上下浮動數微秒;在更長的時間尺度上，地球自轉速率在逐漸放緩，由此定義的秒就會漸漸變長。20世紀初，當量子力學實驗和無線電廣播對時間提出更穩定且更精確的要求時，問題就來了。于是，微波原子鐘應運而生，它走時的依據是原子中的電子在兩個能級間躍遷所發出的微波輻射頻率。

1955年，第一臺微波原子鐘問世，它的精度達到了每300年僅偏差1秒。這么高的精度很快就改變了我們對時間基本單位的定義。1967年，第13屆度量衡大會把“秒”重新定義為“基態銫-133原子兩個超精細能級間躍遷所對應輻射周期的9192631770倍”。

雖然新的秒長與此前的完全一致，但這一表述為“秒”提供了一個更為精確的定義。目前最好的銫原子鐘的精度已經提升到了約3億年的偏差僅為1秒，但今天我們依然沿用上述對“秒”的定義。

新一代計時工具

時間度量對于我們的生活至關重要。從全球定位系統、智能手機到互聯網、電網，對于這些依賴高精度時間同步的現代技術來說，銫原子的穩定振蕩是它們的關鍵基石。但銫原子鐘已不再是目前最好的時鐘。作為新一代計時工具，光鐘正在大幅提高時間測量的精度。

科學家早已知道，有一些原子振蕩的速度遠比銫要快得多。由于其原子核外的電子具有穩定的激發態，也相對不易受到外界溫度、電流和磁場的擾動，鍶和鐿這兩種元素脫穎而出。問題是，它們的電子在能級間躍遷得太快了，科學家一直沒有找到對它們進行測量的簡便辦法。

直到1999年，科學家才使用光頻梳解決了這個問題，它可以把原子在可見光頻率上的振蕩“轉譯”到微波頻率上。這樣，科學家首次實現了光鐘之間以及光鐘和銫原子鐘之間對秒長的校準。

這一技術激起一場競賽，世界各地的實驗室都爭相制造越來越精密的光鐘。目前這些光鐘的精度已經高于銫鐘近100倍，在整個宇宙歷史的尺度上的偏差僅為1秒。

這看似有點小題大做，畢竟我們的手表和智能手機不需要如此高的精度。然而，如果能把光鐘做得足夠輕巧，它們就會大有用武之地，從跟蹤海冰的運動到探測火山和地震活動。科學家也許還能利用它們開創許多新的技術，帶來令人意想不到的突破，甚至解決物理學中的根本問題。

跨越障礙

只有想不到的，沒有做不到的。半個世紀前，人們剛開始考慮全球定位系統。那時沒有人會想到，幾十年后，人們會隨身攜帶具有實時定位功能的智能手機。

既然光鐘已經達到了這么高的精度，為什么全世界還沒有以它們為時間標準呢？在建立一個新的國際時間標準之前，還有一系列棘手的問題需要解決。其中之一就是要使得全世界所有光鐘的信號同步，這目前是通過微波鐘來實現的。這并不容易，因為需要使用光電轉換設備把光脈沖變為電信號。

在過去很長一段時間里，科學家并不清楚，是否有可能把光鐘給出的精密時間信號轉變到可供電子設備使用的微波波段。經過了10年的努力，通過光頻梳給出的微波信號的穩定性最終達到了最佳微波原子鐘的100倍?？紤]到將微波信號的穩定性提高10倍就花了20年的時間，借由光頻梳一下子把穩定性提高100倍可謂巨大的進步。

作為重新定義“秒”的路線圖的一部分，在未來的光學秒定義和目前的微波秒定義之間建立起聯系是必需的。計量學家計劃于2026年召開的下一屆度量衡大會上提交一份重新定義“秒”的表決動議。

對于重新定義“秒”，首先要確定一個所有人都同意的精度截斷點。這預計不會是一件容易的事情。一旦達成了一致，接下來就要協商用哪一種光鐘用作官方重新定義“秒”的依據。眼下世界各地的實驗室研發了至少10種不同的光鐘，沒有一種明顯優于其他的。

這些鐘不僅所使用的原子類型有所不同，構造也不盡相同。作為一種領跑的設計，能夠同時測量約10000個中性原子的光格鐘可以提供穩定且精密的走時。其他的種類還包括單陷俘離子鐘，它可以測量單個帶電原子的躍遷頻率，由此可以減小測量的不確定性。但是，它比光格鐘輸出的信號弱，因此需要更長的時間才能得到測量結果。

目前光鐘設計上的多樣性是一件好事，因為它可以提供不同的解決方案，但最終必定要有一個勝出。這一決定將根據專家、委員會、工作組的建議，由度量衡大會的代表做出。它在很大程度上是一個權衡的問題，而非科學問題。

在此之前，除了要確認不同光鐘的測量結果之外，還有許多科學上的障礙需要跨越。光鐘與光鐘、光鐘與最好的微波鐘之間需要進行比對，這一過程意在確保結果的相容性和可重復性。通過使用光纖相互連接，各國實驗室之間已經在進行光鐘的比對。不過，不同的光鐘有時會給出稍有不同的結果，這令科學家感到困惑，但這也是整個過程的意義所在。計量學的核心要義就是切實評估所有會出錯的地方?？茖W家希望在未來5年內搞清楚所有可能導致光鐘出錯的地方，并確保它們不會發生。

未來的原子鐘

新的“秒”的定義會沿用多久仍是個未知數。就像光鐘的前任微波鐘一樣，光鐘總有一天會被超越。不同于目前依據原子核外電子躍遷的微波鐘和光鐘，科學家已經開始思考基于原子核躍遷的鐘。

未來的原子鐘還必須應對由愛因斯坦的廣義相對論所描述的時間特性。廣義相對論預言，在地球引力場中的不同位置，鐘走的速度會變快或變慢。隨著鐘的精度不斷提升，這一效應將會開始顯現。那時，我們也許就會碰到大自然為人類設定的時間測量的基本極限。

（作者為天文學博士，現為南京大學天文與空間科學學院教授、江蘇省天文學會理事）

（摘自《科學畫報》2020年第12期）