1秒究竟为什么是1秒？

差评君

铯原子钟又被人们形象地称作“喷泉钟”，因为铯原子钟的工作过程是铯原子像喷泉一样进行“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。

从物理学的角度讲，时间是不存在的。时间是一种物质规律运动的表现，是为了人们更方便描述世界而虚构出来的一种抽象概念。比如我们看到了昼夜交替，就有了“天”的概念。再把一天等分成86400份，就得到了“秒”。正是因为时间无形，如何定义和测量时间一直都是令人类头疼的问题。

“时间”的历史

在公元前，古埃及人简单地用日光和影子来估算时间。这种方法直观是直观，但缺点就是只能靠它辨认出上午、中午和下午。后来日晷诞生了，虽然都是靠日照投射影子来判断时间，但因为多了刻度，所以把时间划分到了具体的时段。精准一些的日晷甚至能把一天中时间的误差控制在15分钟内。但这类时钟都有个致命的缺陷：它们都需要“太阳”，一旦赶上阴天下雨太阳落山，大家就不知道时间了。后来人们发现水的流速也是相对稳定的。于是将水滴入带有刻度的盆中，通过水位的高低就能判断时间。这种计时的方式确实解决了“太阳钟”的局限，但到了冬天，北方就用不了水钟了，而夏天水分也会蒸发，所以还是不够精准。直到“机械时代”到来，时钟才真正开始精确起来。

用水银做钟摆，当温度升高的时候，水银会膨胀，液面高度也会上升，整个钟摆的重心就会微微提高。温度下降，钟摆的重心也就随之下降。这样，即使温度改变了，摆动周期也不会改变。

1583年，一个年轻人注意到天花板上的吊灯一直在晃来晃去，但好像每次晃动的时间都是差不多的。于是回家后他又做了几次实验，发现不管下面悬挂的重物质量是多少，只要单摆的长度不变，它摆动一圈的时间都是一样的。于是他提出了单摆的等时性原理，而这个年轻人就是伽利略。到了17世纪，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯发明了摆钟，他将钟摆和擒纵器连接，利用单摆的等时性来控制齿轮的转速，就能让“时间”匀速前进了。后来人们进一步改进了摆钟，将标准摆长设为0.994米，就能使其每次从左到右的摆动用时，稳定在1秒。18世纪左右，最精准的摆钟甚至还用上了水银来进行温度自补偿，以解决温度变化带来的误差，这样摆钟每天的误差不会超过2秒。

但当欧洲的摆钟漂洋过海来到美洲的时候，开始不准了。本来应该误差在2秒以内的摆钟，每天却慢了30多秒，一周下来误差就接近5分钟了。一开始大家以为是在跨越大西洋的过程中把它给弄坏了，于是又把摆钟从美洲送回了荷兰去修理，结果回到荷兰，摆钟非常精准，每天的误差还是2秒。这个现象让人百思不得其解，直到一颗苹果砸在牛顿的头上。

因为地球重力加速度的数值不是一个固定值。比如两极地区，重力加速度超过了9.83m/s?，而赤道地区是9.78m/s?。钟摆是在重力作用下不断摆动的，所以引力不同，自然而然就出现了误差。通过仔细计算就可以得出，如果两级和赤道分别有两个摆钟，那它们一天的误差大概是3分48秒。所以想要解决摆钟时间误差的问题，就要根据当地的重力加速度来调整摆长。从17世纪到20世纪，摆钟成为人类最精确的计时工具，但它依旧每天会有2秒误差。

为了提高“时间”的精度，人们找到了一种更规律的运动——石英。石英钟表的误差非常小，基本都能控制在1秒以内，精确的石英钟表甚至能做到正负十万分之一秒的误差，也就是运行270年才会出现正负1秒的误差。而且石英钟表内部没有精密的构造，它的价格也要比摆钟或者机械表便宜很多。从20世纪20年代开始，石英钟表成了人类主流的计时工具。但是，人们很快发现，石英钟表也不够用了。因为它的精度会随着石英晶体的老化而不断下降，所以使用时间越长，误差也就越大。于是人们就想找到一种比石英钟表更精准的运动，那就是原子的振动频率。

原子时与世界时

铯原子在它的最外层有一个电子不断绕着原子核旋转，电子会处于不同的能量状态，叫作能级。低能级的电子吸收特定的能量就会跃迁到高能级，反之高能级的电子也会回落到低能级，过程中也会释放出相同的能量。原子分立能态之间跃迁时发射或吸收的电磁波的频率，也叫原子的固有共振频率。于是人们想到，如何能够抓住这种原子的固有共振频率呢？

石英石英这种晶体具有压电效应，也就是在电力作用下会产生有规律的振动——平均每秒振动32768次。石英钟的主要部件是一个很稳定的石英振荡器，将石英振荡器所产生的振荡频率取出来，用它带动秒针挪动一步，就可以得到更精确的“时间”。

1975年，德国物理学家汉斯·格奥尔格·德默尔特提出了一个设想——用激光降低原子的动能，从而给原子制冷。最先验证汉斯设想的是美国物理学家朱棣文，他利用激光冷却技术，实现了人类第一次对微观粒子的操控。1997年，他和另外两位科学家因“开创了用激光冷却和捕获原子的方法”获得诺贝尔物理学奖。根据这个方法，科学家们发明了冷原子喷泉钟，他们发现在铯原子的两个超精细能级之间跃迁，所需要的光的频率必须是9192631770Hz。于是在1967年第13届国际计量大会上，科学家们正式定义了“1秒钟”——铯原子（133Cs）基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770个周期所持续的时间为1秒。这个标准也一直沿用到今天。

我国最新的NIM6铯原子喷泉钟，计时精度能达到5400万年不差1秒，也就是从古新世（距今6500万年—距今5300万年）到今天，误差都不会超过1秒。目前世界上最精准的原子钟是科罗拉多大学叶军团队研发的锶原子光钟，大约3000亿年（经过30个太阳的寿命）才相差1秒。这个精确程度绝对不是石英钟表比得了的，原子钟的发明让人类摆脱了以地球自转来定义的世界时，迈向了以原子共振为基础的原子时。

但生活中却不需要每时每刻都精确到纳秒，所以将原子时的秒长和世界时的时刻结合，就得到了我们现在所使用的标准时间——协调世界时（UTC）。在北京时间2017年1月1日出现了7：59：60这样的特殊时间，也就是说在这天的7：59分有真正的第60秒，这1秒被称为“闰秒”。从1972年开始，全球已经经历了27次闰秒，而且都是正闰秒。不过地球的自转变化也不规律，所以什么时候加1秒或减1秒，都得听天由命。我国的协调世界时由位于陕西省西安市的中国科学院国家授时中心发布，然后再以长短波、电话、网络、电视、卫星等方式授时给各个终端。

时间有必要如此精确吗？

有，而且很重要。大家都用过地图的定位导航系统，定位基本能够精确到1米以内。因为每一颗卫星都在不断发射包含位置和时间的无线电信号，但如果没有原子钟的精度，即使误差只有0.1秒，再乘以信号传递时的光速，卫星定位的结果就会差之千里。所以原子钟的精度越高，也就意味着定位越精准，原子钟也被称为导航卫星的心脏，我国的北斗卫星就用了铷原子钟和氢原子钟。除了航天系统，在电网、金融、通讯、交通、气象等领域也都需要高精度授时。例如我们用的交流电中的电流方向就是随时间变化的。当不同的电网设备进行并网时，如果时间不一致，电流的波峰波谷就不一致，轻则带来多余的能量损耗，重则就会直接短路，造成大规模停电和电网瘫痪。

而且，原子钟还印证了爱因斯坦的相对论。广义相对论曾预言了时间的膨胀效应，也就是引力越大，时间越慢。当你把两个钟表放在不同的高度，时间流逝的速度也不一样。但因为时差太小，普通的钟表根本看不出来。这时候原子钟就发挥作用了。如果把一个原子钟放在海平面，另一个放在珠峰峰顶，就会发现山顶的原子钟每天快三千万分之一秒。所以理论上，你的头会比脚老得更快一些，住在楼上会比住楼下的时间过得更快，但是这个时差可能你终其一生都感受不到。

（责编：南名俊岳）