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”，因為銫原子鐘的工作過程是銫原子像噴泉一樣進行“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精確。

從物理學的角度講，時間是不存在的。時間是一種物質規律運動的表現，是為了人們更方便描述世界而虛構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”。正是因為時間無形，如何定義和測量時間一直都是令人類頭疼的問題。

“時間”的歷史

在公元前，古埃及人簡單地用日光和影子來估算時間。這種方法直觀是直觀，但缺點就是只能靠它辨認出上午、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間，但因為多了刻度，所以把時間劃分到了具體的時段。精準一些的日晷甚至能把一天中時間的誤差控制在15分鐘內。但這類時鐘都有個致命的缺陷：它們都需要“太陽”，一旦趕上陰天下雨太陽落山，大家就不知道時間了。后來人們發現水的流速也是相對穩定的。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間。這種計時的方式確實解決了“太陽鐘”的局限，但到了冬天，北方就用不了水鐘了，而夏天水分也會蒸發，所以還是不夠精準。直到“機械時代”到來，時鐘才真正開始精確起來。

用水銀做鐘擺，當溫度升高的時候，水銀會膨脹，液面高度也會上升，整個鐘擺的重心就會微微提高。溫度下降，鐘擺的重心也就隨之下降。這樣，即使溫度改變了，擺動周期也不會改變。

1583年，一個年輕人注意到天花板上的吊燈一直在晃來晃去，但好像每次晃動的時間都是差不多的。于是回家后他又做了幾次實驗，發現不管下面懸掛的重物質量是多少，只要單擺的長度不變，它擺動一圈的時間都是一樣的。于是他提出了單擺的等時性原理，而這個年輕人就是伽利略。到了17世紀，荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯發明了擺鐘，他將鐘擺和擒縱器連接，利用單擺的等時性來控制齒輪的轉速，就能讓“時間”勻速前進了。后來人們進一步改進了擺鐘，將標準擺長設為0.994米，就能使其每次從左到右的擺動用時，穩定在1秒。18世紀左右，最精準的擺鐘甚至還用上了水銀來進行溫度自補償，以解決溫度變化帶來的誤差，這樣擺鐘每天的誤差不會超過2秒。

但當歐洲的擺鐘漂洋過海來到美洲的時候，開始不準了。本來應該誤差在2秒以內的擺鐘，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，結果回到荷蘭，擺鐘非常精準，每天的誤差還是2秒。這個現象讓人百思不得其解，直到一顆蘋果砸在牛頓的頭上。

因為地球重力加速度的數值不是一個固定值。比如兩極地區，重力加速度超過了9.83m/s?，而赤道地區是9.78m/s?。鐘擺是在重力作用下不斷擺動的，所以引力不同，自然而然就出現了誤差。通過仔細計算就可以得出，如果兩級和赤道分別有兩個擺鐘，那它們一天的誤差大概是3分48秒。所以想要解決擺鐘時間誤差的問題，就要根據當地的重力加速度來調整擺長。從17世紀到20世紀，擺鐘成為人類最精確的計時工具，但它依舊每天會有2秒誤差。

為了提高“時間”的精度，人們找到了一種更規律的運動——石英。石英鐘表的誤差非常小，基本都能控制在1秒以內，精確的石英鐘表甚至能做到正負十萬分之一秒的誤差，也就是運行270年才會出現正負1秒的誤差。而且石英鐘表內部沒有精密的構造，它的價格也要比擺鐘或者機械表便宜很多。從20世紀20年代開始，石英鐘表成了人類主流的計時工具。但是，人們很快發現，石英鐘表也不夠用了。因為它的精度會隨著石英晶體的老化而不斷下降，所以使用時間越長，誤差也就越大。于是人們就想找到一種比石英鐘表更精準的運動，那就是原子的振動頻率。

原子時與世界時

銫原子在它的最外層有一個電子不斷繞著原子核旋轉，電子會處于不同的能量狀態，叫作能級。低能級的電子吸收特定的能量就會躍遷到高能級，反之高能級的電子也會回落到低能級，過程中也會釋放出相同的能量。原子分立能態之間躍遷時發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，也就是在電力作用下會產生有規律的振動——平均每秒振動32768次。石英鐘的主要部件是一個很穩定的石英振蕩器，將石英振蕩器所產生的振蕩頻率取出來，用它帶動秒針挪動一步，就可以得到更精確的“時間”。

1975年，德國物理學家漢斯·格奧爾格·德默爾特提出了一個設想——用激光降低原子的動能，從而給原子制冷。最先驗證漢斯設想的是美國物理學家朱棣文，他利用激光冷卻技術，實現了人類第一次對微觀粒子的操控。1997年，他和另外兩位科學家因“開創了用激光冷卻和捕獲原子的方法”獲得諾貝爾物理學獎。根據這個方法，科學家們發明了冷原子噴泉鐘，他們發現在銫原子的兩個超精細能級之間躍遷，所需要的光的頻率必須是9192631770Hz。于是在1967年第13屆國際計量大會上，科學家們正式定義了“1秒鐘”——銫原子（133Cs）基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩9192631770個周期所持續的時間為1秒。這個標準也一直沿用到今天。

我國最新的NIM6銫原子噴泉鐘，計時精度能達到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，誤差都不會超過1秒。目前世界上最精準的原子鐘是科羅拉多大學葉軍團隊研發的鍶原子光鐘，大約3000億年（經過30個太陽的壽命）才相差1秒。這個精確程度絕對不是石英鐘表比得了的，原子鐘的發明讓人類擺脫了以地球自轉來定義的世界時，邁向了以原子共振為基礎的原子時。

但生活中卻不需要每時每刻都精確到納秒，所以將原子時的秒長和世界時的時刻結合，就得到了我們現在所使用的標準時間——協調世界時（UTC）。在北京時間2017年1月1日出現了7：59：60這樣的特殊時間，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，全球已經經歷了27次閏秒，而且都是正閏秒。不過地球的自轉變化也不規律，所以什么時候加1秒或減1秒，都得聽天由命。我國的協調世界時由位于陜西省西安市的中國科學院國家授時中心發布，然后再以長短波、電話、網絡、電視、衛星等方式授時給各個終端。

時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航系統，定位基本能夠精確到1米以內。因為每一顆衛星都在不斷發射包含位置和時間的無線電信號，但如果沒有原子鐘的精度，即使誤差只有0.1秒，再乘以信號傳遞時的光速，衛星定位的結果就會差之千里。所以原子鐘的精度越高，也就意味著定位越精準，原子鐘也被稱為導航衛星的心臟，我國的北斗衛星就用了銣原子鐘和氫原子鐘。除了航天系統，在電網、金融、通訊、交通、氣象等領域也都需要高精度授時。例如我們用的交流電中的電流方向就是隨時間變化的。當不同的電網設備進行并網時，如果時間不一致，電流的波峰波谷就不一致，輕則帶來多余的能量損耗，重則就會直接短路，造成大規模停電和電網癱瘓。

而且，原子鐘還印證了愛因斯坦的相對論。廣義相對論曾預言了時間的膨脹效應，也就是引力越大，時間越慢。當你把兩個鐘表放在不同的高度，時間流逝的速度也不一樣。但因為時差太小，普通的鐘表根本看不出來。這時候原子鐘就發揮作用了。如果把一個原子鐘放在海平面，另一個放在珠峰峰頂，就會發現山頂的原子鐘每天快三千萬分之一秒。所以理論上，你的頭會比腳老得更快一些，住在樓上會比住樓下的時間過得更快，但是這個時差可能你終其一生都感受不到。

（責編：南名俊岳）