科學雜談：一秒鐘有多久？

　　1秒鐘有多久?這個問題似乎不難回答。1天被分為24小時，每1小時被分為60分鐘，而每分鐘又被細分為60秒。所以，1秒就是1天時間的1/86400。但這種算法真的對么?其實，精確定義1秒鐘并不那么簡單。

　　“天文時間”

　　我們習慣將1秒鐘視為一個固定的時間增量，然而數(shù)百年來，這個生活中最常見的時間單位并不是一成不變的。

　　最初的古代，1秒鐘確實是基于1天的時長來計算的。當時人們觀測天文現(xiàn)象，根據(jù)日月星辰等天體的周期性運動來設定1天的時間長度，然后再通過計算得出1秒鐘的概念。這樣的計時標準也就是所謂的“天文時間”。

　　比如，日晷計時系統(tǒng)就是最常見的“天文時間”。隨著地球的自轉，人們會觀察到太陽從天空掠過，于是開始利用日晷記錄太陽的運動——太陽光照在晷針上，將陰影投射在晷盤，當太陽移動時，陰影所指示的時間也將跟著變動。人們利用日晷定義了1天的長度，這類裝置直接根據(jù)太陽在天空中的位置來計算時間，也被稱為“視太陽時”。

　　然而，“天文時間”存在一些缺陷。一個明顯的問題就是，如果今天看不到太陽，人們就無法利用日晷讀取時間。此外，“天文時間”與地球自轉關系密切，地球自轉加快，則“天文時間”加快，地球自轉減慢，則“天文時間”減慢。由于地月之間的潮汐拖拽作用，地球自轉一直在趨于變慢。所以，人們敏銳地覺察到，“天文時間”所設定的1天的時長并不恒定，那么基于1天的時長而計算出的1秒鐘自然也不太可靠。

　　“機械時間”

　　16世紀，人們轉而求助于物理科學來改進計時系統(tǒng)。簡單來說，制作“計時器”的思路從根據(jù)太陽的位置計時，變成了制作一個具備周期性振蕩現(xiàn)象的振蕩器，并利用振蕩器穩(wěn)定的振蕩頻率來定義1秒鐘。

　　于是，人類社會的第一批機械鐘表——擺鐘開始問世。在地球的同一地點，擺鐘的鐘擺作微幅擺動的周期是一個確定的常數(shù)。要記錄1秒鐘的長度，人們只需設計特定頻率的擺鐘，使其振動的周期與“天文時間”中1秒鐘的均值相同即可。但擺鐘有兩個很嚴重的缺點：一是隨著晝夜、四季溫度的變化，鐘擺發(fā)生熱脹冷縮，致使擺長不穩(wěn)定;二是在地球的不同緯度、不同高度處，地球重力加速度有著微小的差別，這導致鐘表廠校準的擺鐘在運到新的使用地點后往往會有些失準。所以，接下來的數(shù)百年里，科學家利用彈簧、齒輪等元件，制作了更復雜也更精確的振蕩器。

　　到了20世紀40年代，石英晶體鐘成為了最好用的計時鐘表。人們發(fā)現(xiàn)，只要給一塊石英晶體施加適當?shù)碾妷海湍芤跃w的固有振蕩頻率產生機械振蕩，而晶體的固有振蕩頻率只取決于晶體的物理尺寸和晶格結構，不受氣候、地點和季節(jié)的影響。人們只要精確控制石英晶體的尺寸和形狀，優(yōu)化設計石英的晶格結構，就能非常精確地利用石英晶體的固有振蕩頻率來計時。

　“原子時間”

　　盡管石英晶體鐘的精確度對于普通應用已經(jīng)足夠好了，但還是無法為高科技領域提供可靠的計時依據(jù)，比如互聯(lián)網(wǎng)領域、全球定位系統(tǒng)或基礎科學研究。原因在于，石英晶體的品質參差不齊，其雜質含量、晶格結構和形態(tài)很難統(tǒng)一，那么不同石英晶體鐘的精確度會有差別。精度高的石英晶體鐘每秒誤差在10萬分之1秒以內，精度低的石英晶體鐘每秒誤差則能達到1萬分之1秒——這種量級的誤差在平時無關緊要，但無法滿足高科技領域的需求。

　　所以，為了實現(xiàn)真正的精確，鐘表必須根據(jù)一些獨立、不變的參照標準進行設置。于是，20世紀50年代，科學家開始設計世界上最精確的計時系統(tǒng)——“原子時間”。

　　“原子時間”指的是以原子的“共振頻率”為基準而得到的時間。根據(jù)原子物理學和量子力學理論，原子的能量是離散的，只能取特定的數(shù)值。當原子在不同的能量狀態(tài)之間躍遷時只能吸收或釋放特定數(shù)值的能量，而這種恒定的能量差則對應著特定頻率的電磁波。換句話說，原子可以吸收特定頻率的電磁波，從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài);或者，原子釋放特定頻率的電磁波，從高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)。這個特定頻率恒定不變，被稱為原子的“共振頻率”，人們便可以利用“共振頻率”作為計時參照。比如，國際通用的銫原子鐘所使用的銫同位素——銫133的“共振頻率”是9192631770赫茲，也就是每秒振動9192631770次，所以銫原子鐘就是以計數(shù)器記錄振動9192631770次作為1秒——每秒的誤差只有1千萬億分之1秒。

　　1967年，世界各國的科學家一致同意以“原子時間”重新定義1秒的長度。從那時起，在國際單位制中，1秒鐘的定義是：銫133原子發(fā)生9192631770次能量振蕩所持續(xù)的時間。為了與精確的“原子時間”保持一致，“天文時間”一直在發(fā)生變化。每隔幾年，科學家必須為“1天文秒”增加1閏秒，從而彌補地球自轉變慢所導致的“天文時間”與“原子時間”之間的誤差。

　　對這個精確到千萬億分之一秒的定義，科學家仍不滿足，他們還在研究更加精確的原子鐘，比如鍶原子鐘和鐿原子鐘。2020年，美國科學家就利用量子糾纏研制出了目前世界上精確度最高的鐿原子鐘。由于鐿原子的“共振頻率”原本就比銫原子的高10萬倍，而科學家又利用量子糾纏進一步提升了鐿原子的“共振頻率”，使得鐿原子鐘的精確度達到了極限——140億年內誤差不超0.1秒。

　　顯而易見，科學家仍然不會停止探索的步伐，在未來，1秒的精確定義很可能還會繼續(xù)更改。