一“秒”有多久

羅鋒

時(shí)間是一種客觀存在，是人類認(rèn)識(shí)、歸納、描述自然的結(jié)果。先秦著作《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古來今曰宙?！薄坝睢贝砩舷滤姆?，即所有的空間;“宙”代表往古來今，即所有的時(shí)間。這是迄今在中國(guó)典籍中找到的與現(xiàn)代“時(shí)空”概念最好的對(duì)應(yīng)。日月更替，斗轉(zhuǎn)星移，人類在數(shù)千年的歷史長(zhǎng)河中不斷探索著時(shí)間的奧秘。今天我們就來聊聊“秒”。

“秒”的誕生

古人從地球自轉(zhuǎn)中找到了關(guān)于時(shí)間的自然標(biāo)準(zhǔn)，這種將某地天文子午面兩次對(duì)向太陽(yáng)圓面中心（即太陽(yáng)圓面中心兩次上中天）的時(shí)間間隔稱作“真太陽(yáng)日”。但后來，人們發(fā)現(xiàn)地球不僅有自轉(zhuǎn)，還有公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的軌道還是一個(gè)橢圓，且近日點(diǎn)公轉(zhuǎn)速度快，遠(yuǎn)日點(diǎn)公轉(zhuǎn)速度慢，這就造成了每一個(gè)“真太陽(yáng)日”的時(shí)間是不同的，最長(zhǎng)的“真太陽(yáng)日”和最短的“真太陽(yáng)日”相差51秒。并且，太陽(yáng)在黃道上運(yùn)行，而一日之長(zhǎng)是在天赤道上度量的，由于黃道和赤道斜交，故有黃赤交角存在。這樣一來，即使地球公轉(zhuǎn)是勻速的，每日太陽(yáng)黃經(jīng)差都是59′，而由它所造成的赤經(jīng)差也是不等的。每日赤經(jīng)差是每日黃經(jīng)差在天赤道上的投影，投影的長(zhǎng)度隨季節(jié)變化而不同。即由于黃赤交角存在，而使真太陽(yáng)日在二分前后變短，在二至前后變長(zhǎng)，長(zhǎng)短相差±21秒?？梢姡菍?dǎo)致真太陽(yáng)日長(zhǎng)短不等的主要因素。因此，天文學(xué)上把一年中真太陽(yáng)日的平均值稱為“平太陽(yáng)日”，并且把1/24平太陽(yáng)日取為1平太陽(yáng)時(shí)。我們平時(shí)所說的“日”和“時(shí)”，就是平太陽(yáng)日和平太陽(yáng)時(shí)的簡(jiǎn)稱。于是，世界上第一個(gè)“秒”的定義出現(xiàn)了：1個(gè)平太陽(yáng)日的1/86400為1秒。以天文秒為基本單位建立的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)就是世界時(shí)。

到了1956年10月，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）采納了新的“秒”定義：自歷書時(shí)1900年1月0日12時(shí)起算的回歸年的1/31556925.9747。

然而，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的周期不是恒定不變的，一天的時(shí)間在每個(gè)世紀(jì)變長(zhǎng)了1.7毫秒。

19世紀(jì)初，隨著物理學(xué)的快速發(fā)展，特別是量子物理學(xué)的建立，物理學(xué)家們認(rèn)識(shí)到：原子內(nèi)電子能級(jí)間的特征躍遷頻率，具有比天文現(xiàn)象更高的穩(wěn)定度，更適合作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)?？茖W(xué)家們用當(dāng)時(shí)的天文秒長(zhǎng)當(dāng)“尺子”，盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量銫133原子相應(yīng)能級(jí)間的躍遷周期數(shù)。在1個(gè)天文秒里，他們數(shù)出銫133原子“振動(dòng)”了9192631770次。

1952年，全球第一臺(tái)原子鐘在英國(guó)面世。其后，更多先進(jìn)的原子鐘在美、法等國(guó)家問世。鑒于原子鐘卓越的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）重新定義了“秒”——用銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷時(shí)所輻射的電磁波的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間替代了原有的基于地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的1秒。這標(biāo)志著“原子時(shí)”的誕生，宣告了一個(gè)以量子定義時(shí)間的新時(shí)代正式到來。從此，人類測(cè)量時(shí)間不再依靠觀星星測(cè)太陽(yáng)，實(shí)驗(yàn)室型銫原子基準(zhǔn)鐘成為復(fù)現(xiàn)“秒”定義的手段。今天，全球最好的銫原子噴泉鐘不確定度已經(jīng)達(dá)到了10-16量級(jí)，相當(dāng)于幾億年不差1秒。

“秒”的協(xié)同

原子鐘的誕生讓時(shí)間計(jì)量不再基于太陽(yáng)，且準(zhǔn)確度大大提高。但由此也產(chǎn)生出另外一個(gè)問題，即有了兩種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)：基于天文測(cè)量得出的“世界時(shí)”和以原子振蕩周期確定的“原子時(shí)”。世界時(shí)由于地球自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定（因地球物質(zhì)分布不均勻和其他星球的攝動(dòng)力等問題引起）會(huì)帶來時(shí)間的差異，原子時(shí)則是相對(duì)恒定不變的。為使原子鐘所指示的時(shí)間與平時(shí)人們使用的世界時(shí)基本同步，要求兩者之差不得超過±0.9秒。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)變慢，原子時(shí)誤差將超過0.9秒時(shí)，便人為地加進(jìn)1秒，反之則扣去1秒。加減必須在特定的時(shí)刻進(jìn)行：12月31日或6月30日的最后1分鐘的最后1秒之后。

1971年，經(jīng)由國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過決議，使用以原子時(shí)秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)的“協(xié)調(diào)世界時(shí)”來計(jì)量時(shí)間。當(dāng)“協(xié)調(diào)世界時(shí)”和“世界時(shí)”之差超過0.9秒時(shí)，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）就負(fù)責(zé)對(duì)“協(xié)調(diào)世界時(shí)”撥快或撥慢1秒，這就是閏秒。

自1971年首次增加閏秒以來，截至2017年，“協(xié)調(diào)世界時(shí)”已經(jīng)調(diào)整了27個(gè)閏秒。雖然閏秒調(diào)整對(duì)普通民眾的日常生活不會(huì)產(chǎn)生影響，但對(duì)特殊行業(yè)來說卻會(huì)產(chǎn)生很大影響。比如，網(wǎng)絡(luò)通信上，協(xié)調(diào)世界時(shí)被用在很多互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，像網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議就是其中的一種。如果出現(xiàn)1秒的誤差，就全亂了套。移動(dòng)電話、金融交易、互聯(lián)網(wǎng)、電力和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴于時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)。

“秒”的展望

作為國(guó)際計(jì)量單位制的基礎(chǔ)、核心和關(guān)鍵，時(shí)間頻率基準(zhǔn)已率先完成量子化變革，其定義從“天文時(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠幽芗?jí)躍遷的“原子時(shí)”，測(cè)量準(zhǔn)確度迅速提升了1000萬倍以上。

正是基于時(shí)間定義的量子化變革，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其準(zhǔn)確度已達(dá)到了厘米級(jí)別。高準(zhǔn)確度時(shí)間頻率基準(zhǔn)鐘的研制，是保證國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量體系獨(dú)立完整性的關(guān)鍵，關(guān)系到國(guó)家的核心利益。因此，人們還在不遺余力地探索著。有研究成果表明，光鐘將比目前最好的時(shí)鐘精度提高100倍，能提供“對(duì)物理世界更細(xì)致地觀察”，并有助于建立對(duì)自然界基本定律更深入的認(rèn)識(shí)。該研究成果也將對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生影響。