一秒钟的奥秘从微小原子到浩瀚宇宙

刘玉柱 陈子昂

虽然时间看不见、摸不着，但我们还是能够在生活中感知它的存在。一秒钟太过短暂，或许在你读这句话时，好几秒的时间已经匆匆过去。但短短的一秒钟，却又可以决定奥运百米赛场上冠军的归属；一秒钟，猎豹可以在草原上飞奔28米；一秒钟，光的身影已经出现在30万千米之外……那么，你有没有想过，这转瞬即逝的一秒钟究竟有多长呢？

“一刹那”有多长？

人类对于“一秒钟”的认知经历了漫长的过程。在古代，人们通过观察自然现象来计量时间的流逝。几千年来，包括太阳在内的天体的移动给我们的祖先带来了天然的历法和钟表，这些已经足以满足他们日出而作、日落而息的生活所需。

但受到技术条件的制约，人们对于较短时间间隔的测量始终没有取得很大进展。在漫长的劳动实践中，古人发明和总结出了沙漏、漏壶、“一盏茶”“一炷香”等非常实用的计时工具和方法。

你知道吗？我们生活中用来形容时间短暂的“刹那”“瞬间”“弹指”“须臾”等词语，实际上都表示具体的时间。在古代印度梵典《摩诃僧祇律》（简称《僧祇律》）中有这样的记载：“一刹那者为一念，二十念为一瞬，二十瞬为一弹指，二十弹指为一罗预，二十罗预为一须臾，一日一夜为三十须臾。”据此，我们不难推算，一须臾为2880秒（48分钟），一罗预为144秒（2.4分钟），一弹指为7.2秒，一瞬为0.36秒，而一刹那则是0.018秒。一刹那竟比一瞬还要短暂！

一秒钟的演化——从世界时、历书时到原子时

工业革命的到来，使人类对于准确时间提出了更高的要求。19世纪，随着美国天文学家西蒙·纽康提出平太阳日这一概念——即以地球自转一圈为一天，这种时间计量方式被称为世界时，一秒钟在英国科学促进会（BAAS）的定义下，正式变成了1/86400个平太阳日的时间间隔，也被称为“六十进位秒”。

天体运行与时间

但由于地球自传的速度不恒定，基于平太阳日的秒长定义也会随之变化。于是，在1960年的第十一届国际计量大会上，一秒的定义被修改为“自历书时1900年1月1日12时起算的回归年的31，556，925.9747分之一”，这种时间计量方式被称为历书时。

这一定义根据历书时而修订，它利用可以准确预测发生的周期性天文事件确定时间长度，与基于牛顿运动定律所计算的时间一致，抵消了地球自转带来的影响。但使用历书秒的麻烦之处在于需要对选定的天文事件进行长期的观测，这一缺点使它无法适应需要经常校准时间的现代社会。

随着20世纪50年代以来原子鐘技术的发展，人们决定采用原子时作为新的定义基准，原子时诞生了。1967年召开的第十三届国际计量大会宣布：以铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9，192，631，770个周期的持续时间作为时间的国际标准单位，也就是一秒。在这之后，一秒的时长才成了我们今天所熟悉的样子。

原子时——用原子的固有属性来计时

只要一个事物或现象具有固定的周期，都可以作为测量时间的标准，例如地球的自转与公转、钟摆的摆动等。但这些自然现象大多会因为各种因素的影响而在不算很长的时间尺度内出现一定的误差。

随着20世纪50年代人类在原子领域研究的深入，人们认识到辐射共振频率属于原子的固有属性，它的共振频率不受温度和摩擦力的影响，且有一个固定的值。这些特点让原子钟应运而生。

 电子在两个能级之间跃迁示意图与辐射条件公式（供图/刘玉柱）

 铯原子的结构示意图

原子具有不同的能级，电子在两个能级间发生跃迁时，会产生或吸收电磁波。这里我们需要引入辐射条件公式，即hv=Em-En，其中h为普朗克常数，v为光子的频率。通过公式我们可以知道，在外部条件固定时，原子的能级结构稳定意味着它的差值稳定，与之对应的电磁波频率v也就是稳定的了。

世界上第一台原子钟是一台采用氨分子的“氨微波激射器”。尽管这台严格意义上讲只能被称为“分子钟”的设备证明了原子钟的概念是可行的，但它从未被真正用于计时。由于氨分子间的相互作用力与分子运动产生的多普勒频移（指当一个物体相对于另一个物体运动时，其发出的声波或电磁波的频率会发生变化），这台命途多舛的首台原子钟每4个月的误差约为1秒，可靠性相比当时推出不久的石英钟技术都稍显不足。

3年后的1967年，机会来到了铯原子钟一边。除具有放射性的钫，铯是金属性最强的核稳定金属。它的电子层结构仅包含一个最容易失去的电子，和一个完全惰性且完全球对称的内层球壳。这使得铯原子极容易被激发，且激发能量宽度极窄，同时能级极为简洁而固定。

 精准的时间对于全世界的交通、安全和电网系统至关重要

而且，铯的天然同位素只有一种，即铯133——也是铯的同位素中唯一稳定的一种。就像测量长度的尺子刻度越密，测量精度就越高一样，振动频率越高，计时就会越精确。对于铯原子，它的共振频率是9，192，631，770赫兹。也就是说，它会在1秒钟内振动超过90亿次！

之后，科学家又研发了振动频率达到光学波段的光子钟（光钟），比原先处在微波波段的原子钟精度还要高5个数量级。进入21世纪，随着高性能芯片的普及，原子钟在稳定性和便携性方面都有了很大程度的提升。

一秒有多重要？

我们不禁要问，去计较一秒钟、甚至不到一秒钟的时间真的有意义吗？答案是，不仅有意义，而且意义十分重大。

可以说，在当今社会，我们普通人很难想象使这样一架庞大的社会机器运转起来有多困难。当一天的时间误差超过1‰秒时，全世界的交通、安全和电网系统就会陷入混乱之中！例如，全球每天都会拨出数量惊人的电话，当电话接通时，通话双方的语音会来回往复数千次。然而，要避免出现时间差，导致双方“胡言乱语”的情况，控制通话的计算机间时刻保持同步就成了每一家电信公司必须解决的问题。所以现在的电信公司都会配备高精度的原子钟，以保证通话过程的完全同步。

原子钟还能为卫星导航系统提供高稳定的时间频率基准信号，被誉为卫星导航系统的“心脏”，决定着导航系统的导航定位、测速及授时精度，故制造原子钟的各项技术指标要求相当严苛。

 建于陕西省西安市临潼骊山风景区内骊山凤凰岭的临潼天文台，是国家授时中心，其全称为中国科学院国家授时中心，是“北京时间”的诞生地

这些用于卫星导航的原子钟产品曾经一度完全依赖进口，好在经过中国航天人数十年如一日的刻苦钻研，目前中国在星载原子钟领域已经成功跻身世界一流水平。2022年11月3日，中国成功发射的梦天实验舱里就搭载了完全自主研发的锶原子光钟，它是目前世界上发射到太空的测量精度最高的量子精密测量仪器！这台锶原子光钟的投入使用，将为中国进一步探索宇宙、发展航空航天事業作出重大贡献。

从日晷、沙漏，到机械钟摆、石英钟，再到现如今的原子钟、光钟……当你坐在桌前，享受现代生活带来的便利时，你是否能想到支撑这些便利的功臣之一，正静静地躺在实验室的角落里，或是运行在头顶的天空中，默默地用微小到肉眼无从分辨的原子，记录着虽然无声却最有力的时间的故事呢？