科学杂谈：一秒钟有多久？

　　1秒钟有多久?这个问题似乎不难回答。1天被分为24小时，每1小时被分为60分钟，而每分钟又被细分为60秒。所以，1秒就是1天时间的1/86400。但这种算法真的对么?其实，精确定义1秒钟并不那么简单。

　　“天文时间”

　　我们习惯将1秒钟视为一个固定的时间增量，然而数百年来，这个生活中最常见的时间单位并不是一成不变的。

　　最初的古代，1秒钟确实是基于1天的时长来计算的。当时人们观测天文现象，根据日月星辰等天体的周期性运动来设定1天的时间长度，然后再通过计算得出1秒钟的概念。这样的计时标准也就是所谓的“天文时间”。

　　比如，日晷计时系统就是最常见的“天文时间”。随着地球的自转，人们会观察到太阳从天空掠过，于是开始利用日晷记录太阳的运动——太阳光照在晷针上，将阴影投射在晷盘，当太阳移动时，阴影所指示的时间也将跟着变动。人们利用日晷定义了1天的长度，这类装置直接根据太阳在天空中的位置来计算时间，也被称为“视太阳时”。

　　然而，“天文时间”存在一些缺陷。一个明显的问题就是，如果今天看不到太阳，人们就无法利用日晷读取时间。此外，“天文时间”与地球自转关系密切，地球自转加快，则“天文时间”加快，地球自转减慢，则“天文时间”减慢。由于地月之间的潮汐拖拽作用，地球自转一直在趋于变慢。所以，人们敏锐地觉察到，“天文时间”所设定的1天的时长并不恒定，那么基于1天的时长而计算出的1秒钟自然也不太可靠。

　　“机械时间”

　　16世纪，人们转而求助于物理科学来改进计时系统。简单来说，制作“计时器”的思路从根据太阳的位置计时，变成了制作一个具备周期性振荡现象的振荡器，并利用振荡器稳定的振荡频率来定义1秒钟。

　　于是，人类社会的第一批机械钟表——摆钟开始问世。在地球的同一地点，摆钟的钟摆作微幅摆动的周期是一个确定的常数。要记录1秒钟的长度，人们只需设计特定频率的摆钟，使其振动的周期与“天文时间”中1秒钟的均值相同即可。但摆钟有两个很严重的缺点：一是随着昼夜、四季温度的变化，钟摆发生热胀冷缩，致使摆长不稳定;二是在地球的不同纬度、不同高度处，地球重力加速度有着微小的差别，这导致钟表厂校准的摆钟在运到新的使用地点后往往会有些失准。所以，接下来的数百年里，科学家利用弹簧、齿轮等元件，制作了更复杂也更精确的振荡器。

　　到了20世纪40年代，石英晶体钟成为了最好用的计时钟表。人们发现，只要给一块石英晶体施加适当的电压，它就能以晶体的固有振荡频率产生机械振荡，而晶体的固有振荡频率只取决于晶体的物理尺寸和晶格结构，不受气候、地点和季节的影响。人们只要精确控制石英晶体的尺寸和形状，优化设计石英的晶格结构，就能非常精确地利用石英晶体的固有振荡频率来计时。

　“原子时间”

　　尽管石英晶体钟的精确度对于普通应用已经足够好了，但还是无法为高科技领域提供可靠的计时依据，比如互联网领域、全球定位系统或基础科学研究。原因在于，石英晶体的品质参差不齐，其杂质含量、晶格结构和形态很难统一，那么不同石英晶体钟的精确度会有差别。精度高的石英晶体钟每秒误差在10万分之1秒以内，精度低的石英晶体钟每秒误差则能达到1万分之1秒——这种量级的误差在平时无关紧要，但无法满足高科技领域的需求。

　　所以，为了实现真正的精确，钟表必须根据一些独立、不变的参照标准进行设置。于是，20世纪50年代，科学家开始设计世界上最精确的计时系统——“原子时间”。

　　“原子时间”指的是以原子的“共振频率”为基准而得到的时间。根据原子物理学和量子力学理论，原子的能量是离散的，只能取特定的数值。当原子在不同的能量状态之间跃迁时只能吸收或释放特定数值的能量，而这种恒定的能量差则对应着特定频率的电磁波。换句话说，原子可以吸收特定频率的电磁波，从低能量状态跃迁到高能量状态;或者，原子释放特定频率的电磁波，从高能量状态跃迁到低能量状态。这个特定频率恒定不变，被称为原子的“共振频率”，人们便可以利用“共振频率”作为计时参照。比如，国际通用的铯原子钟所使用的铯同位素——铯133的“共振频率”是9192631770赫兹，也就是每秒振动9192631770次，所以铯原子钟就是以计数器记录振动9192631770次作为1秒——每秒的误差只有1千万亿分之1秒。

　　1967年，世界各国的科学家一致同意以“原子时间”重新定义1秒的长度。从那时起，在国际单位制中，1秒钟的定义是：铯133原子发生9192631770次能量振荡所持续的时间。为了与精确的“原子时间”保持一致，“天文时间”一直在发生变化。每隔几年，科学家必须为“1天文秒”增加1闰秒，从而弥补地球自转变慢所导致的“天文时间”与“原子时间”之间的误差。

　　对这个精确到千万亿分之一秒的定义，科学家仍不满足，他们还在研究更加精确的原子钟，比如锶原子钟和镱原子钟。2020年，美国科学家就利用量子纠缠研制出了目前世界上精确度最高的镱原子钟。由于镱原子的“共振频率”原本就比铯原子的高10万倍，而科学家又利用量子纠缠进一步提升了镱原子的“共振频率”，使得镱原子钟的精确度达到了极限——140亿年内误差不超0.1秒。

　　显而易见，科学家仍然不会停止探索的步伐，在未来，1秒的精确定义很可能还会继续更改。