一“秒”有多久

罗锋

时间是一种客观存在，是人类认识、归纳、描述自然的结果。先秦著作《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”“宇”代表上下四方，即所有的空间;“宙”代表往古来今，即所有的时间。这是迄今在中国典籍中找到的与现代“时空”概念最好的对应。日月更替，斗转星移，人类在数千年的历史长河中不断探索着时间的奥秘。今天我们就来聊聊“秒”。

“秒”的诞生

古人从地球自转中找到了关于时间的自然标准，这种将某地天文子午面两次对向太阳圆面中心（即太阳圆面中心两次上中天）的时间间隔称作“真太阳日”。但后来，人们发现地球不仅有自转，还有公转，公转的轨道还是一个椭圆，且近日点公转速度快，远日点公转速度慢，这就造成了每一个“真太阳日”的时间是不同的，最长的“真太阳日”和最短的“真太阳日”相差51秒。并且，太阳在黄道上运行，而一日之长是在天赤道上度量的，由于黄道和赤道斜交，故有黄赤交角存在。这样一来，即使地球公转是匀速的，每日太阳黄经差都是59′，而由它所造成的赤经差也是不等的。每日赤经差是每日黄经差在天赤道上的投影，投影的长度随季节变化而不同。即由于黄赤交角存在，而使真太阳日在二分前后变短，在二至前后变长，长短相差±21秒。可见，它是导致真太阳日长短不等的主要因素。因此，天文学上把一年中真太阳日的平均值称为“平太阳日”，并且把1/24平太阳日取为1平太阳时。我们平时所说的“日”和“时”，就是平太阳日和平太阳时的简称。于是，世界上第一个“秒”的定义出现了：1个平太阳日的1/86400为1秒。以天文秒为基本单位建立的时间计量系统就是世界时。

到了1956年10月，国际计量委员会（CIPM）采纳了新的“秒”定义：自历书时1900年1月0日12时起算的回归年的1/31556925.9747。

然而，地球自转和公转运动的周期不是恒定不变的，一天的时间在每个世纪变长了1.7毫秒。

19世纪初，随着物理学的快速发展，特别是量子物理学的建立，物理学家们认识到：原子内电子能级间的特征跃迁频率，具有比天文现象更高的稳定度，更适合作为时间标准。科学家们用当时的天文秒长当“尺子”，尽可能准确地测量铯133原子相应能级间的跃迁周期数。在1个天文秒里，他们数出铯133原子“振动”了9192631770次。

1952年，全球第一台原子钟在英国面世。其后，更多先进的原子钟在美、法等国家问世。鉴于原子钟卓越的准确度和稳定性，1967年第13届国际计量大会（CGPM）重新定义了“秒”——用铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波的9192631770个周期的持续时间替代了原有的基于地球公转和自转的1秒。这标志着“原子时”的诞生，宣告了一个以量子定义时间的新时代正式到来。从此，人类测量时间不再依靠观星星测太阳，实验室型铯原子基准钟成为复现“秒”定义的手段。今天，全球最好的铯原子喷泉钟不确定度已经达到了10-16量级，相当于几亿年不差1秒。

“秒”的协同

原子钟的诞生让时间计量不再基于太阳，且准确度大大提高。但由此也产生出另外一个问题，即有了两种时间计量系统：基于天文测量得出的“世界时”和以原子振荡周期确定的“原子时”。世界时由于地球自转的不稳定（因地球物质分布不均匀和其他星球的摄动力等问题引起）会带来时间的差异，原子时则是相对恒定不变的。为使原子钟所指示的时间与平时人们使用的世界时基本同步，要求两者之差不得超过±0.9秒。当地球自转变慢，原子时误差将超过0.9秒时，便人为地加进1秒，反之则扣去1秒。加减必须在特定的时刻进行：12月31日或6月30日的最后1分钟的最后1秒之后。

1971年，经由国际计量大会通过决议，使用以原子时秒长为基础的“协调世界时”来计量时间。当“协调世界时”和“世界时”之差超过0.9秒时，国际地球自转服务组织（IERS）就负责对“协调世界时”拨快或拨慢1秒，这就是闰秒。

自1971年首次增加闰秒以来，截至2017年，“协调世界时”已经调整了27个闰秒。虽然闰秒调整对普通民众的日常生活不会产生影响，但对特殊行业来说却会产生很大影响。比如，网络通信上，协调世界时被用在很多互联网标准中，像网络时间协议就是其中的一种。如果出现1秒的误差，就全乱了套。移动电话、金融交易、互联网、电力和全球卫星导航系统都依赖于时间和频率标准。

“秒”的展望

作为国际计量单位制的基础、核心和关键，时间频率基准已率先完成量子化变革，其定义从“天文时”转变为基于原子能级跃迁的“原子时”，测量准确度迅速提升了1000万倍以上。

正是基于时间定义的量子化变革，实现了卫星导航定位，其准确度已达到了厘米级别。高准确度时间频率基准鐘的研制，是保证国家时间频率计量体系独立完整性的关键，关系到国家的核心利益。因此，人们还在不遗余力地探索着。有研究成果表明，光钟将比目前最好的时钟精度提高100倍，能提供“对物理世界更细致地观察”，并有助于建立对自然界基本定律更深入的认识。该研究成果也将对卫星导航、通信及计算机网络同步等应用领域产生影响。