为什么1秒的持续时间是这么长?

确切地说,究竟什么是一秒?自从第一个落地式大摆钟在17世纪中叶开始一秒一秒走动以来,人们就一直在对这个问题进行解释。

简单地说,1秒是1/60分钟,即1/3600小时。不过,这么回答又会引发其他问题。毕竟,接着还要解释什么是小时。这个问题的答案与古代文明的最佳计时方式有关——地球在宇宙中的运动。地球自转一圈的时间,以及它绕太阳转一圈的时间,是相当稳定的。在人类历史的大部分时间里,这足以作为标记时间流逝的方式。天、小时、分钟都只是从地球运动衍生而来。

然而,到了今天,当计算机以每秒40亿次的速度执行运算时,我们需要一个更好的时间测量方法。无论是地球的自转还是公转,都会随着时间流逝而发生轻微改变。就比如说,地球的自转略有放缓。因此,根据地球自转测量一秒的长度就意味着一秒的持续时间会逐渐变长。

因此,为了确定一个真正永久性的时间测量标准,科学家在20世纪50年代设计了一个更好的时钟,不是以地球运动为基础,而是以原子的运动为基准,因为原子振动极其稳定。今天,一秒被定义为铯-133(铯与钠为同一主族元素)原子基态的两个超精细能级之间跃迁对应辐射9,192,631,770个周期的时间。

当用激光照射时,铯原子最外层的单个电子会在两个状态之间来回循环,即所谓的超精细跃迁,这个速率是恒定的。虽然其他元素也有这样的性质,但铯只有一种稳定的同位素,因此它更容易提纯。此外,相比起其他原子,铯的超精细跃迁足够大,速度足够快,所以表示时间更为精确。

当然,用铯原子定义的一秒并没有与原来的一秒有着很大的不同。一秒的长度还是一样的,但现在,它将永远保持不变。目前的铯原子钟非常精确,它们在2000万年的时间里误差只有一秒钟。

但这对科学家来说还不够。虽然原子时钟在校准计算机、GPS系统等方面都起到重要的作用,但为了获得更快的处理器和更好的定位系统,我们还需要更好的计时系统。在2016年,德国科学家提出了一种更好的原子钟,它基于锶元素,使用可见光而不是微波辐射进行校准。锶的周期比铯快得多,跃迁频率更高,这样做出来的原子时钟就更加精确。据估计,锶原子钟在3亿年的时间里误差只有一秒钟。

不过,锶原子钟还在研发之中,铯原子钟至今仍是最终选择的计时器。当你在调整手表,或者手机自动更新内置时钟之时,都有那么一个铯原子,与它的过去、现在以及未来完美地产生共振。