是時(shí)候重新定義“秒”了嗎

謝懿

第一次重新定義

時(shí)間的流逝是一個(gè)謎，許多物理學(xué)家甚至認(rèn)為它不過(guò)是幻覺(jué)。鐘面時(shí)間是人類的發(fā)明，它的單位是小時(shí)、分和秒，由此地球繞其自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)長(zhǎng)，也就是“天”的長(zhǎng)度，才得以被劃分。17世紀(jì)，當(dāng)天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯發(fā)明擺鐘時(shí)，1秒被定義為1個(gè)太陽(yáng)日的1/86400，即1天=24小時(shí)，1小時(shí)=60分，1分=60秒。

但是，地球的自轉(zhuǎn)并不是恒定的。地球自轉(zhuǎn)的時(shí)長(zhǎng)每天會(huì)上下浮動(dòng)數(shù)微秒;在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，地球自轉(zhuǎn)速率在逐漸放緩，由此定義的秒就會(huì)漸漸變長(zhǎng)。20世紀(jì)初，當(dāng)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)和無(wú)線電廣播對(duì)時(shí)間提出更穩(wěn)定且更精確的要求時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了。于是，微波原子鐘應(yīng)運(yùn)而生，它走時(shí)的依據(jù)是原子中的電子在兩個(gè)能級(jí)間躍遷所發(fā)出的微波輻射頻率。

1955年，第一臺(tái)微波原子鐘問(wèn)世，它的精度達(dá)到了每300年僅偏差1秒。這么高的精度很快就改變了我們對(duì)時(shí)間基本單位的定義。1967年，第13屆度量衡大會(huì)把“秒”重新定義為“基態(tài)銫-133原子兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷所對(duì)應(yīng)輻射周期的9192631770倍”。

雖然新的秒長(zhǎng)與此前的完全一致，但這一表述為“秒”提供了一個(gè)更為精確的定義。目前最好的銫原子鐘的精度已經(jīng)提升到了約3億年的偏差僅為1秒，但今天我們依然沿用上述對(duì)“秒”的定義。

新一代計(jì)時(shí)工具

時(shí)間度量對(duì)于我們的生活至關(guān)重要。從全球定位系統(tǒng)、智能手機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)，對(duì)于這些依賴高精度時(shí)間同步的現(xiàn)代技術(shù)來(lái)說(shuō)，銫原子的穩(wěn)定振蕩是它們的關(guān)鍵基石。但銫原子鐘已不再是目前最好的時(shí)鐘。作為新一代計(jì)時(shí)工具，光鐘正在大幅提高時(shí)間測(cè)量的精度。

科學(xué)家早已知道，有一些原子振蕩的速度遠(yuǎn)比銫要快得多。由于其原子核外的電子具有穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，也相對(duì)不易受到外界溫度、電流和磁場(chǎng)的擾動(dòng)，鍶和鐿這兩種元素脫穎而出。問(wèn)題是，它們的電子在能級(jí)間躍遷得太快了，科學(xué)家一直沒(méi)有找到對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量的簡(jiǎn)便辦法。

直到1999年，科學(xué)家才使用光頻梳解決了這個(gè)問(wèn)題，它可以把原子在可見光頻率上的振蕩“轉(zhuǎn)譯”到微波頻率上。這樣，科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了光鐘之間以及光鐘和銫原子鐘之間對(duì)秒長(zhǎng)的校準(zhǔn)。

這一技術(shù)激起一場(chǎng)競(jìng)賽，世界各地的實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)相制造越來(lái)越精密的光鐘。目前這些光鐘的精度已經(jīng)高于銫鐘近100倍，在整個(gè)宇宙歷史的尺度上的偏差僅為1秒。

這看似有點(diǎn)小題大做，畢竟我們的手表和智能手機(jī)不需要如此高的精度。然而，如果能把光鐘做得足夠輕巧，它們就會(huì)大有用武之地，從跟蹤海冰的運(yùn)動(dòng)到探測(cè)火山和地震活動(dòng)?？茖W(xué)家也許還能利用它們開創(chuàng)許多新的技術(shù)，帶來(lái)令人意想不到的突破，甚至解決物理學(xué)中的根本問(wèn)題。

跨越障礙

只有想不到的，沒(méi)有做不到的。半個(gè)世紀(jì)前，人們剛開始考慮全球定位系統(tǒng)。那時(shí)沒(méi)有人會(huì)想到，幾十年后，人們會(huì)隨身攜帶具有實(shí)時(shí)定位功能的智能手機(jī)。

既然光鐘已經(jīng)達(dá)到了這么高的精度，為什么全世界還沒(méi)有以它們?yōu)闀r(shí)間標(biāo)準(zhǔn)呢？在建立一個(gè)新的國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)之前，還有一系列棘手的問(wèn)題需要解決。其中之一就是要使得全世界所有光鐘的信號(hào)同步，這目前是通過(guò)微波鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這并不容易，因?yàn)樾枰褂霉怆娹D(zhuǎn)換設(shè)備把光脈沖變?yōu)殡娦盘?hào)。

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，科學(xué)家并不清楚，是否有可能把光鐘給出的精密時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變到可供電子設(shè)備使用的微波波段。經(jīng)過(guò)了10年的努力，通過(guò)光頻梳給出的微波信號(hào)的穩(wěn)定性最終達(dá)到了最佳微波原子鐘的100倍。考慮到將微波信號(hào)的穩(wěn)定性提高10倍就花了20年的時(shí)間，借由光頻梳一下子把穩(wěn)定性提高100倍可謂巨大的進(jìn)步。

作為重新定義“秒”的路線圖的一部分，在未來(lái)的光學(xué)秒定義和目前的微波秒定義之間建立起聯(lián)系是必需的。計(jì)量學(xué)家計(jì)劃于2026年召開的下一屆度量衡大會(huì)上提交一份重新定義“秒”的表決動(dòng)議。

對(duì)于重新定義“秒”，首先要確定一個(gè)所有人都同意的精度截?cái)帱c(diǎn)。這預(yù)計(jì)不會(huì)是一件容易的事情。一旦達(dá)成了一致，接下來(lái)就要協(xié)商用哪一種光鐘用作官方重新定義“秒”的依據(jù)。眼下世界各地的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了至少10種不同的光鐘，沒(méi)有一種明顯優(yōu)于其他的。

這些鐘不僅所使用的原子類型有所不同，構(gòu)造也不盡相同。作為一種領(lǐng)跑的設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)測(cè)量約10000個(gè)中性原子的光格鐘可以提供穩(wěn)定且精密的走時(shí)。其他的種類還包括單陷俘離子鐘，它可以測(cè)量單個(gè)帶電原子的躍遷頻率，由此可以減小測(cè)量的不確定性。但是，它比光格鐘輸出的信號(hào)弱，因此需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能得到測(cè)量結(jié)果。

目前光鐘設(shè)計(jì)上的多樣性是一件好事，因?yàn)樗梢蕴峁┎煌慕鉀Q方案，但最終必定要有一個(gè)勝出。這一決定將根據(jù)專家、委員會(huì)、工作組的建議，由度量衡大會(huì)的代表做出。它在很大程度上是一個(gè)權(quán)衡的問(wèn)題，而非科學(xué)問(wèn)題。

在此之前，除了要確認(rèn)不同光鐘的測(cè)量結(jié)果之外，還有許多科學(xué)上的障礙需要跨越。光鐘與光鐘、光鐘與最好的微波鐘之間需要進(jìn)行比對(duì)，這一過(guò)程意在確保結(jié)果的相容性和可重復(fù)性。通過(guò)使用光纖相互連接，各國(guó)實(shí)驗(yàn)室之間已經(jīng)在進(jìn)行光鐘的比對(duì)。不過(guò)，不同的光鐘有時(shí)會(huì)給出稍有不同的結(jié)果，這令科學(xué)家感到困惑，但這也是整個(gè)過(guò)程的意義所在。計(jì)量學(xué)的核心要義就是切實(shí)評(píng)估所有會(huì)出錯(cuò)的地方?？茖W(xué)家希望在未來(lái)5年內(nèi)搞清楚所有可能導(dǎo)致光鐘出錯(cuò)的地方，并確保它們不會(huì)發(fā)生。

未來(lái)的原子鐘

新的“秒”的定義會(huì)沿用多久仍是個(gè)未知數(shù)。就像光鐘的前任微波鐘一樣，光鐘總有一天會(huì)被超越。不同于目前依據(jù)原子核外電子躍遷的微波鐘和光鐘，科學(xué)家已經(jīng)開始思考基于原子核躍遷的鐘。

未來(lái)的原子鐘還必須應(yīng)對(duì)由愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所描述的時(shí)間特性。廣義相對(duì)論預(yù)言，在地球引力場(chǎng)中的不同位置，鐘走的速度會(huì)變快或變慢。隨著鐘的精度不斷提升，這一效應(yīng)將會(huì)開始顯現(xiàn)。那時(shí)，我們也許就會(huì)碰到大自然為人類設(shè)定的時(shí)間測(cè)量的基本極限。

（作者為天文學(xué)博士，現(xiàn)為南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授、江蘇省天文學(xué)會(huì)理事）

（摘自《科學(xué)畫報(bào)》2020年第12期）