一秒鐘的奧秘從微小原子到浩瀚宇宙

劉玉柱 陳子昂

雖然時間看不見、摸不著，但我們還是能夠在生活中感知它的存在。一秒鐘太過短暫，或許在你讀這句話時，好幾秒的時間已經(jīng)匆匆過去。但短短的一秒鐘，卻又可以決定奧運百米賽場上冠軍的歸屬；一秒鐘，獵豹可以在草原上飛奔28米；一秒鐘，光的身影已經(jīng)出現(xiàn)在30萬千米之外……那么，你有沒有想過，這轉(zhuǎn)瞬即逝的一秒鐘究竟有多長呢？

“一剎那”有多長？

人類對于“一秒鐘”的認知經(jīng)歷了漫長的過程。在古代，人們通過觀察自然現(xiàn)象來計量時間的流逝。幾千年來，包括太陽在內(nèi)的天體的移動給我們的祖先帶來了天然的歷法和鐘表，這些已經(jīng)足以滿足他們?nèi)粘龆?、日落而息的生活所需?/p>

但受到技術(shù)條件的制約，人們對于較短時間間隔的測量始終沒有取得很大進展。在漫長的勞動實踐中，古人發(fā)明和總結(jié)出了沙漏、漏壺、“一盞茶”“一炷香”等非常實用的計時工具和方法。

你知道嗎？我們生活中用來形容時間短暫的“剎那”“瞬間”“彈指”“須臾”等詞語，實際上都表示具體的時間。在古代印度梵典《摩訶僧祇律》（簡稱《僧祇律》）中有這樣的記載：“一剎那者為一念，二十念為一瞬，二十瞬為一彈指，二十彈指為一羅預(yù)，二十羅預(yù)為一須臾，一日一夜為三十須臾?！睋?jù)此，我們不難推算，一須臾為2880秒（48分鐘），一羅預(yù)為144秒（2.4分鐘），一彈指為7.2秒，一瞬為0.36秒，而一剎那則是0.018秒。一剎那竟比一瞬還要短暫！

一秒鐘的演化——從世界時、歷書時到原子時

工業(yè)革命的到來，使人類對于準確時間提出了更高的要求。19世紀，隨著美國天文學(xué)家西蒙·紐康提出平太陽日這一概念——即以地球自轉(zhuǎn)一圈為一天，這種時間計量方式被稱為世界時，一秒鐘在英國科學(xué)促進會（BAAS）的定義下，正式變成了1/86400個平太陽日的時間間隔，也被稱為“六十進位秒”。

天體運行與時間

但由于地球自傳的速度不恒定，基于平太陽日的秒長定義也會隨之變化。于是，在1960年的第十一屆國際計量大會上，一秒的定義被修改為“自歷書時1900年1月1日12時起算的回歸年的31，556，925.9747分之一”，這種時間計量方式被稱為歷書時。

這一定義根據(jù)歷書時而修訂，它利用可以準確預(yù)測發(fā)生的周期性天文事件確定時間長度，與基于牛頓運動定律所計算的時間一致，抵消了地球自轉(zhuǎn)帶來的影響。但使用歷書秒的麻煩之處在于需要對選定的天文事件進行長期的觀測，這一缺點使它無法適應(yīng)需要經(jīng)常校準時間的現(xiàn)代社會。

隨著20世紀50年代以來原子鐘技術(shù)的發(fā)展，人們決定采用原子時作為新的定義基準，原子時誕生了。1967年召開的第十三屆國際計量大會宣布：以銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷對應(yīng)輻射的9，192，631，770個周期的持續(xù)時間作為時間的國際標準單位，也就是一秒。在這之后，一秒的時長才成了我們今天所熟悉的樣子。

原子時——用原子的固有屬性來計時

只要一個事物或現(xiàn)象具有固定的周期，都可以作為測量時間的標準，例如地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、鐘擺的擺動等。但這些自然現(xiàn)象大多會因為各種因素的影響而在不算很長的時間尺度內(nèi)出現(xiàn)一定的誤差。

隨著20世紀50年代人類在原子領(lǐng)域研究的深入，人們認識到輻射共振頻率屬于原子的固有屬性，它的共振頻率不受溫度和摩擦力的影響，且有一個固定的值。這些特點讓原子鐘應(yīng)運而生。

?電子在兩個能級之間躍遷示意圖與輻射條件公式（供圖/劉玉柱）

?銫原子的結(jié)構(gòu)示意圖

原子具有不同的能級，電子在兩個能級間發(fā)生躍遷時，會產(chǎn)生或吸收電磁波。這里我們需要引入輻射條件公式，即hv=Em-En，其中h為普朗克常數(shù)，v為光子的頻率。通過公式我們可以知道，在外部條件固定時，原子的能級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定意味著它的差值穩(wěn)定，與之對應(yīng)的電磁波頻率v也就是穩(wěn)定的了。

世界上第一臺原子鐘是一臺采用氨分子的“氨微波激射器”。盡管這臺嚴格意義上講只能被稱為“分子鐘”的設(shè)備證明了原子鐘的概念是可行的，但它從未被真正用于計時。由于氨分子間的相互作用力與分子運動產(chǎn)生的多普勒頻移（指當(dāng)一個物體相對于另一個物體運動時，其發(fā)出的聲波或電磁波的頻率會發(fā)生變化），這臺命途多舛的首臺原子鐘每4個月的誤差約為1秒，可靠性相比當(dāng)時推出不久的石英鐘技術(shù)都稍顯不足。

3年后的1967年，機會來到了銫原子鐘一邊。除具有放射性的鈁，銫是金屬性最強的核穩(wěn)定金屬。它的電子層結(jié)構(gòu)僅包含一個最容易失去的電子，和一個完全惰性且完全球?qū)ΨQ的內(nèi)層球殼。這使得銫原子極容易被激發(fā)，且激發(fā)能量寬度極窄，同時能級極為簡潔而固定。

?精準的時間對于全世界的交通、安全和電網(wǎng)系統(tǒng)至關(guān)重要

而且，銫的天然同位素只有一種，即銫133——也是銫的同位素中唯一穩(wěn)定的一種。就像測量長度的尺子刻度越密，測量精度就越高一樣，振動頻率越高，計時就會越精確。對于銫原子，它的共振頻率是9，192，631，770赫茲。也就是說，它會在1秒鐘內(nèi)振動超過90億次！

之后，科學(xué)家又研發(fā)了振動頻率達到光學(xué)波段的光子鐘（光鐘），比原先處在微波波段的原子鐘精度還要高5個數(shù)量級。進入21世紀，隨著高性能芯片的普及，原子鐘在穩(wěn)定性和便攜性方面都有了很大程度的提升。

一秒有多重要？

我們不禁要問，去計較一秒鐘、甚至不到一秒鐘的時間真的有意義嗎？答案是，不僅有意義，而且意義十分重大。

可以說，在當(dāng)今社會，我們普通人很難想象使這樣一架龐大的社會機器運轉(zhuǎn)起來有多困難。當(dāng)一天的時間誤差超過1‰秒時，全世界的交通、安全和電網(wǎng)系統(tǒng)就會陷入混亂之中！例如，全球每天都會撥出數(shù)量驚人的電話，當(dāng)電話接通時，通話雙方的語音會來回往復(fù)數(shù)千次。然而，要避免出現(xiàn)時間差，導(dǎo)致雙方“胡言亂語”的情況，控制通話的計算機間時刻保持同步就成了每一家電信公司必須解決的問題。所以現(xiàn)在的電信公司都會配備高精度的原子鐘，以保證通話過程的完全同步。

原子鐘還能為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時間頻率基準信號，被譽為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“心臟”，決定著導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位、測速及授時精度，故制造原子鐘的各項技術(shù)指標要求相當(dāng)嚴苛。

?建于陜西省西安市臨潼驪山風(fēng)景區(qū)內(nèi)驪山鳳凰嶺的臨潼天文臺，是國家授時中心，其全稱為中國科學(xué)院國家授時中心，是“北京時間”的誕生地

這些用于衛(wèi)星導(dǎo)航的原子鐘產(chǎn)品曾經(jīng)一度完全依賴進口，好在經(jīng)過中國航天人數(shù)十年如一日的刻苦鉆研，目前中國在星載原子鐘領(lǐng)域已經(jīng)成功躋身世界一流水平。2022年11月3日，中國成功發(fā)射的夢天實驗艙里就搭載了完全自主研發(fā)的鍶原子光鐘，它是目前世界上發(fā)射到太空的測量精度最高的量子精密測量儀器！這臺鍶原子光鐘的投入使用，將為中國進一步探索宇宙、發(fā)展航空航天事業(yè)作出重大貢獻。

從日晷、沙漏，到機械鐘擺、石英鐘，再到現(xiàn)如今的原子鐘、光鐘……當(dāng)你坐在桌前，享受現(xiàn)代生活帶來的便利時，你是否能想到支撐這些便利的功臣之一，正靜靜地躺在實驗室的角落里，或是運行在頭頂?shù)奶炜罩?，默默地用微小到肉眼無從分辨的原子，記錄著雖然無聲卻最有力的時間的故事呢？