一秒有多长？

“将小数点往后挪一位，你就会发现新的真理。”

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一秒有多长

作者 | 王嘉兴

编辑 | 秦珍子

1秒，在手表里不过是几个齿轮的转动和“喀嚓”一响。对铯原子钟而言，这意味着9192631770次的电子跃迁振荡。

原子能级跃迁有着最稳定的频率，几乎不受温度、压强影响。《科学》杂志近日刊登了美国天体物理学联合实验研究所（JILA）叶军教授团队最新的研究成果，他们设计的原子钟频率准确度误差不超过10^-18。

▎原子钟

如果这口钟在宇宙诞生之时就存在，当它昼夜不停地走到今天，产生的误差都不到1秒。

在漫长的岁月里，人类发明了日晷，也用过需要有人日夜蹲守的水钟。直到今天，站在科学最前沿的人仍然要面对堆满一整个房间的原子钟设备，一点点调试，只为找到藏在小数点后十多个零里的差别。

这是一场没有尽头的追寻。

“将小数点往后挪一位，你就会发现新的真理”

进入一间守时铯原子钟的实验室，你需要全副武装：白大褂、口罩、头套、手套、鞋套一个都不能少，全身上下，只有一双眼睛裸露在外。然后，你还要穿越一段强风席卷的黑色走廊，让风拂去你身上细小的灰尘。

在这里，新风系统日夜满载工作，风扇的轰鸣声是唯一的背景音。空调和湿度计都是特别定制款，为了保证温度和湿度恒定在23.0℃和60％。实验室对地基的稳定性要求极高，原子钟就像初生的婴儿一般，被处处小心呵护。甭管来多大的科学家，都只能蹲在地上调试设备。

在全世界53个国家的70多个实验室，有400多个原子钟一起运转，维护着人类世界时间的稳定。国际计量局定时收集它们报送的数据，结合经过认证的少数几个国家计量院研制的基准原子钟校准，才最终产生国际原子时。

过去，人类只能利用日月星辰这类天然的“时钟”，根据它们在遥远天空上的位置大致判断时间，日出而作，日落而息。后来，人类发明了机械钟、摆钟和石英表，但一直到1967年，秒的定义都是“太阳年的31556925.9747分之一”。

我们日常使用的时钟已经可以达到一年小于1秒的误差，但这显然无法让科学家满意。“将小数点往后挪一位，你就会发现新的真理。”叶军一直相信这句在美国物理学界广泛流传的话。

▎日晷

天文观测、量子力学的研究都离不开精准的时间，我们生活中常用的全球定位系统（GPS）也依赖它，哪怕只是慢了一眨眼的时间，都会带来数万公里的误差。

早在19世纪70年代，麦克斯韦和开尔文就提出可以利用原子能级跃迁精准地计量时间，但直到80年后，世界上第一台原子钟才问世。又经过10年发展，原子钟的精度才全面超过石英钟。

在1967年的第13届国际计量学大会上，秒的定义跨入原子时代：铯原子中电子能级跃迁周期的9192631770倍为1秒。这个标准一直沿用至今。

“除了铯原子，氢原子、汞原子、铷原子、锶原子等都被广泛用于研制原子钟。”清华大学物理系博士生程鹏飞告诉中国青年报·中青在线，“这次叶军教授团队使用的就是锶原子。理论上，它的性能可以比铯原子钟好上千倍。”

要经历重重“阻挠”，锶原子才能发出那束频率精准的光

对锶原子来说，想要发出自己的一声“滴答”可不容易。

为了发出那束频率精准的光，原子源里活蹦乱跳的它，需要将速度一步步降低到厘米每秒的量级——和树懒差不多。它们有的要经历数台激光器的“深情凝视”，有的要穿越重重电场和磁场，最终被冷却到接近绝对零度（零下273.15℃）。

为了排除其它粒子的干扰，科学家把锶原子安置在真空的环境里。在原子源里，它们被加热到500℃，变成活跃的气体，速度和子弹差不多，每秒移动500米，冲向下一个站点。

在这段征途里，科学家不仅设置了磁场，还向它们迎面射出激光。在原子的尺度上，锶原子就像闯过了一段枪林弹雨，每秒钟吸收上亿个光子，它的速度也被降低到每秒50米左右。

最后，它们将滑入有着巨大粘滞力的“磁光阱”，同时被6束激光照射，并被囚禁在那里。经过几轮折腾，铯原子也变得筋疲力尽，它终于可以完成使命。

“其实原子钟的原理非常简单，难点都在技术上。”程鹏飞解释道，“什么是更好的‘冷却’原子的方法，如何让激光器稳定地运行更长时间，需要解决的问题还有太多。”他介绍，在实际操作中，锶原子钟能连续运行10小时就是“相当不错的成果”，不能有任何一个设备出问题。“增加原子数量和相干时间的能力将使这新一代原子钟完全不同于之前的版本。”叶军教授对媒体说。

▎机械钟

在过去的锶原子钟里，锶原子都是排布在一个平面上，囚禁于磁光阱中。叶军教授团队这次则找到了一种三维的排布形式，就像由一层鸡蛋提高到几层装的一大盒鸡蛋。这样可以大幅提高信号的强度，增加稳定度。

在程鹏飞看来，更难的是隐性的干扰。很多变化是他们难以控制的，影响机理也很复杂，“没有任何理论能够解释，我们开玩笑把它叫‘玄学’。”相比之下，铯原子钟的稳定度要高得多，持续运行时间很长，摔一摔、碰一碰都行。

对一个守时钟而言，稳定性也是一个重要指标。“如果使用一会儿就要停下来，调试一下，这是肯定不行的。”程鹏飞说，铯原子钟也是目前主流的计时工具，这也有赖于过去几十年里微波器件的快速发展。

相比于锶原子钟动辄需要数十平方米的空间存放，铯原子钟体积小，两个书桌就能铺开。如果可以牺牲一些精度，它的体积能够小于成人的手掌，甚至做到硬币大小。在未来某一代人的眼里，钟表也许不再意味着表盘和指针，而是由线圈构成的仪器小盒子。

科学竞赛的背后是技术和话语权之争

每当你打开一次地图，或是点一次外卖、摇一摇寻找你附近的人，太空中至少4台卫星同时向你发送信息。经过计算，你的手机得出了你目前所在的位置。

这个计算成立的基础就是这些卫星上的时钟精准无误。导航是目前对原子钟需求最旺盛的领域。此外，交通、金融、电网、计算机网络、移动通信等领域的安全运行都依靠高精度的时间频率计量。在人流密度大的区域，每隔不到500米就要设置一个手机通讯基站，其中都会有2台左右原子钟。

“在这个领域，美国等发达国家走在最前面。他们从上世纪50年代就开始研究，踩过的坑多，走过的路也更多。”程鹏飞告诉中国青年报·中青在线。时至今日，高性能原子钟仍然对我国禁运，为了防止技术泄密。

尽管美国的GPS系统能在全球每一个地方使用，各国仍然在努力打破技术垄断。欧洲一直在完善“伽利略”系统，中国的“北斗”导航系统也已经得到国际认可，并被市场接纳。

1999年印巴卡吉尔战争期间，美国就曾关闭当地的GPS服务，所有依赖GPS制导的武器瞬间“失明”，印军因此蒙受巨大损失。就连世界时一个闰秒的差别，都曾引发中、美、日、英、法等多个大国长达12年的拉锯战。

直到2014年，中国的铯原子喷泉基准钟才得到国际计量局的认可，成为继法、美、德、意、日、英、俄七国后第8个参与维护世界时的国家。这也意味着中国对国际时间从拥有“话语权”到具备了“表决权”。

中国计量科学研究院时间频率计量研究所所长方占军曾向媒体表示：“如果我们在这方面失去话语权，现有的系统就不能够独立复现秒定义，所有与此相关的科研和应用都将失去独立性。”

▎水钟

2016年，我国“天宫二号”空间实验室搭载了世界上首个在轨运行的空间冷原子钟。国际上对这项技术的研究最早追溯到1997年，但发射计划几经推迟，至今没能实施。在寸土寸金的空间站，体积和功耗被压缩到最低的冷原子钟将直面来自太空的考验。

科技竞赛之下，原子钟也一直刷新着科学的极限。截至目前，至少有8项获得诺贝尔物理学奖的成果直接推动了原子钟的发展。美国国家标准技术局最新的铯原子钟研究项目负责人总结说，“在原子钟诞生后的60年里，每当我们建成一台更好的钟，便会催生出一些无法预期的新应用。”

“如果能把原子钟的精度再提高几个数量级，我们就能更直接和精确地测量引力波，更准确地测量物理常数。”程鹏飞告诉中国青年报·中青在线，他也期待原子钟技术的进步推动卫星定位系统达到厘米、毫米量级的精度，“这会完全改变我们社会的生产生活方式。”

时代变化，时间计量的观察目标从宇宙星辰变成了人造卫星，仪器从六分仪变成了信号接收器，基准也从地球公转变成了原子钟，但在追求时间精度这件事上，人类从来没有满足过。未来的原子钟可能会进入原子核，以更加稳定的原子核能级跃迁振荡作频率基准。还有人畅想，如果将来我们进行星际旅行，脉冲星可以作为星际通讯中可靠的同步时钟。

“我想做大自然能够让人类做到的最精确的测量，我希望我们做的每个实验都能达到大自然最基本的极限。”叶军给自己的研究定下目标。这是物理学上探索最少的领域之一，每一项发现都有可能是革命性的。

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