1秒鐘有多久?這個(gè)問題似乎不難回答。1天被分為24小時(shí)，每1小時(shí)被分為60分鐘，而每分鐘又被細(xì)分為60秒。所以，1秒就是1天時(shí)間的1/86400。但這種算法真的對(duì)么?其實(shí)，精確定義1秒鐘并不那么簡(jiǎn)單。

　　“天文時(shí)間”

　　我們習(xí)慣將1秒鐘視為一個(gè)固定的時(shí)間增量，然而數(shù)百年來，這個(gè)生活中最常見的時(shí)間單位并不是一成不變的。

　　最初的古代，1秒鐘確實(shí)是基于1天的時(shí)長(zhǎng)來計(jì)算的。當(dāng)時(shí)人們觀測(cè)天文現(xiàn)象，根據(jù)日月星辰等天體的周期性運(yùn)動(dòng)來設(shè)定1天的時(shí)間長(zhǎng)度，然后再通過計(jì)算得出1秒鐘的概念。這樣的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)也就是所謂的“天文時(shí)間”。

　　比如，日晷計(jì)時(shí)系統(tǒng)就是最常見的“天文時(shí)間”。隨著地球的自轉(zhuǎn)，人們會(huì)觀察到太陽(yáng)從天空掠過，于是開始利用日晷記錄太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)——太陽(yáng)光照在晷針上，將陰影投射在晷盤，當(dāng)太陽(yáng)移動(dòng)時(shí)，陰影所指示的時(shí)間也將跟著變動(dòng)。人們利用日晷定義了1天的長(zhǎng)度，這類裝置直接根據(jù)太陽(yáng)在天空中的位置來計(jì)算時(shí)間，也被稱為“視太陽(yáng)時(shí)”。

　　然而，“天文時(shí)間”存在一些缺陷。一個(gè)明顯的問題就是，如果今天看不到太陽(yáng)，人們就無法利用日晷讀取時(shí)間。此外，“天文時(shí)間”與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系密切，地球自轉(zhuǎn)加快，則“天文時(shí)間”加快，地球自轉(zhuǎn)減慢，則“天文時(shí)間”減慢。由于地月之間的潮汐拖拽作用，地球自轉(zhuǎn)一直在趨于變慢。所以，人們敏銳地覺察到，“天文時(shí)間”所設(shè)定的1天的時(shí)長(zhǎng)并不恒定，那么基于1天的時(shí)長(zhǎng)而計(jì)算出的1秒鐘自然也不太可靠。

　　“機(jī)械時(shí)間”

　　16世紀(jì)，人們轉(zhuǎn)而求助于物理科學(xué)來改進(jìn)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單來說，制作“計(jì)時(shí)器”的思路從根據(jù)太陽(yáng)的位置計(jì)時(shí)，變成了制作一個(gè)具備周期性振蕩現(xiàn)象的振蕩器，并利用振蕩器穩(wěn)定的振蕩頻率來定義1秒鐘。

　　于是，人類社會(huì)的第一批機(jī)械鐘表——擺鐘開始問世。在地球的同一地點(diǎn)，擺鐘的鐘擺作微幅擺動(dòng)的周期是一個(gè)確定的常數(shù)。要記錄1秒鐘的長(zhǎng)度，人們只需設(shè)計(jì)特定頻率的擺鐘，使其振動(dòng)的周期與“天文時(shí)間”中1秒鐘的均值相同即可。但擺鐘有兩個(gè)很嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一是隨著晝夜、四季溫度的變化，鐘擺發(fā)生熱脹冷縮，致使擺長(zhǎng)不穩(wěn)定;二是在地球的不同緯度、不同高度處，地球重力加速度有著微小的差別，這導(dǎo)致鐘表廠校準(zhǔn)的擺鐘在運(yùn)到新的使用地點(diǎn)后往往會(huì)有些失準(zhǔn)。所以，接下來的數(shù)百年里，科學(xué)家利用彈簧、齒輪等元件，制作了更復(fù)雜也更精確的振蕩器。

　　到了20世紀(jì)40年代，石英晶體鐘成為了最好用的計(jì)時(shí)鐘表。人們發(fā)現(xiàn)，只要給一塊石英晶體施加適當(dāng)?shù)碾妷海湍芤跃w的固有振蕩頻率產(chǎn)生機(jī)械振蕩，而晶體的固有振蕩頻率只取決于晶體的物理尺寸和晶格結(jié)構(gòu)，不受氣候、地點(diǎn)和季節(jié)的影響。人們只要精確控制石英晶體的尺寸和形狀，優(yōu)化設(shè)計(jì)石英的晶格結(jié)構(gòu)，就能非常精確地利用石英晶體的固有振蕩頻率來計(jì)時(shí)。

　“原子時(shí)間”

　　盡管石英晶體鐘的精確度對(duì)于普通應(yīng)用已經(jīng)足夠好了，但還是無法為高科技領(lǐng)域提供可靠的計(jì)時(shí)依據(jù)，比如互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、全球定位系統(tǒng)或基礎(chǔ)科學(xué)研究。原因在于，石英晶體的品質(zhì)參差不齊，其雜質(zhì)含量、晶格結(jié)構(gòu)和形態(tài)很難統(tǒng)一，那么不同石英晶體鐘的精確度會(huì)有差別。精度高的石英晶體鐘每秒誤差在10萬(wàn)分之1秒以內(nèi)，精度低的石英晶體鐘每秒誤差則能達(dá)到1萬(wàn)分之1秒——這種量級(jí)的誤差在平時(shí)無關(guān)緊要，但無法滿足高科技領(lǐng)域的需求。

　　所以，為了實(shí)現(xiàn)真正的精確，鐘表必須根據(jù)一些獨(dú)立、不變的參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。于是，20世紀(jì)50年代，科學(xué)家開始設(shè)計(jì)世界上最精確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)——“原子時(shí)間”。

　　“原子時(shí)間”指的是以原子的“共振頻率”為基準(zhǔn)而得到的時(shí)間。根據(jù)原子物理學(xué)和量子力學(xué)理論，原子的能量是離散的，只能取特定的數(shù)值。當(dāng)原子在不同的能量狀態(tài)之間躍遷時(shí)只能吸收或釋放特定數(shù)值的能量，而這種恒定的能量差則對(duì)應(yīng)著特定頻率的電磁波。換句話說，原子可以吸收特定頻率的電磁波，從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài);或者，原子釋放特定頻率的電磁波，從高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)。這個(gè)特定頻率恒定不變，被稱為原子的“共振頻率”，人們便可以利用“共振頻率”作為計(jì)時(shí)參照。比如，國(guó)際通用的銫原子鐘所使用的銫同位素——銫133的“共振頻率”是9192631770赫茲，也就是每秒振動(dòng)9192631770次，所以銫原子鐘就是以計(jì)數(shù)器記錄振動(dòng)9192631770次作為1秒——每秒的誤差只有1千萬(wàn)億分之1秒。

　　1967年，世界各國(guó)的科學(xué)家一致同意以“原子時(shí)間”重新定義1秒的長(zhǎng)度。從那時(shí)起，在國(guó)際單位制中，1秒鐘的定義是：銫133原子發(fā)生9192631770次能量振蕩所持續(xù)的時(shí)間。為了與精確的“原子時(shí)間”保持一致，“天文時(shí)間”一直在發(fā)生變化。每隔幾年，科學(xué)家必須為“1天文秒”增加1閏秒，從而彌補(bǔ)地球自轉(zhuǎn)變慢所導(dǎo)致的“天文時(shí)間”與“原子時(shí)間”之間的誤差。

　　對(duì)這個(gè)精確到千萬(wàn)億分之一秒的定義，科學(xué)家仍不滿足，他們還在研究更加精確的原子鐘，比如鍶原子鐘和鐿原子鐘。2020年，美國(guó)科學(xué)家就利用量子糾纏研制出了目前世界上精確度最高的鐿原子鐘。由于鐿原子的“共振頻率”原本就比銫原子的高10萬(wàn)倍，而科學(xué)家又利用量子糾纏進(jìn)一步提升了鐿原子的“共振頻率”，使得鐿原子鐘的精確度達(dá)到了極限——140億年內(nèi)誤差不超0.1秒。

　　顯而易見，科學(xué)家仍然不會(huì)停止探索的步伐，在未來，1秒的精確定義很可能還會(huì)繼續(xù)更改。