是时候重新定义“秒”了吗

谢懿

第一次重新定义

时间的流逝是一个谜，许多物理学家甚至认为它不过是幻觉。钟面时间是人类的发明，它的单位是小时、分和秒，由此地球绕其自转轴转动一周的时长，也就是“天”的长度，才得以被划分。17世纪，当天文学家克里斯蒂安·惠更斯发明摆钟时，1秒被定义为1个太阳日的1/86400，即1天=24小时，1小时=60分，1分=60秒。

但是，地球的自转并不是恒定的。地球自转的时长每天会上下浮动数微秒;在更长的时间尺度上，地球自转速率在逐渐放缓，由此定义的秒就会渐渐变长。20世纪初，当量子力学实验和无线电广播对时间提出更稳定且更精确的要求时，问题就来了。于是，微波原子钟应运而生，它走时的依据是原子中的电子在两个能级间跃迁所发出的微波辐射频率。

1955年，第一台微波原子钟问世，它的精度达到了每300年仅偏差1秒。这么高的精度很快就改变了我们对时间基本单位的定义。1967年，第13届度量衡大会把“秒”重新定义为“基态铯-133原子两个超精细能级间跃迁所对应辐射周期的9192631770倍”。

虽然新的秒长与此前的完全一致，但这一表述为“秒”提供了一个更为精确的定义。目前最好的铯原子钟的精度已经提升到了约3亿年的偏差仅为1秒，但今天我们依然沿用上述对“秒”的定义。

新一代计时工具

时间度量对于我们的生活至关重要。从全球定位系统、智能手机到互联网、电网，对于这些依赖高精度时间同步的现代技术来说，铯原子的稳定振荡是它们的关键基石。但铯原子钟已不再是目前最好的时钟。作为新一代计时工具，光钟正在大幅提高时间测量的精度。

科学家早已知道，有一些原子振荡的速度远比铯要快得多。由于其原子核外的电子具有稳定的激发态，也相对不易受到外界温度、电流和磁场的扰动，锶和镱这两种元素脱颖而出。问题是，它们的电子在能级间跃迁得太快了，科学家一直没有找到对它们进行测量的简便办法。

直到1999年，科学家才使用光频梳解决了这个问题，它可以把原子在可见光频率上的振荡“转译”到微波频率上。这样，科学家首次实现了光钟之间以及光钟和铯原子钟之间对秒长的校准。

这一技术激起一场竞赛，世界各地的实验室都争相制造越来越精密的光钟。目前这些光钟的精度已经高于铯钟近100倍，在整个宇宙历史的尺度上的偏差仅为1秒。

这看似有点小题大做，毕竟我们的手表和智能手机不需要如此高的精度。然而，如果能把光钟做得足够轻巧，它们就会大有用武之地，从跟踪海冰的运动到探测火山和地震活动。科学家也许还能利用它们开创许多新的技术，带来令人意想不到的突破，甚至解决物理学中的根本问题。

跨越障碍

只有想不到的，没有做不到的。半个世纪前，人们刚开始考虑全球定位系统。那时没有人会想到，几十年后，人们会随身携带具有实时定位功能的智能手机。

既然光钟已经达到了这么高的精度，为什么全世界还没有以它们为时间标准呢？在建立一个新的国际时间标准之前，还有一系列棘手的问题需要解决。其中之一就是要使得全世界所有光钟的信号同步，这目前是通过微波钟来实现的。这并不容易，因为需要使用光电转换设备把光脉冲变为电信号。

在过去很长一段时间里，科学家并不清楚，是否有可能把光钟给出的精密时间信号转变到可供电子设备使用的微波波段。经过了10年的努力，通过光频梳给出的微波信号的稳定性最终达到了最佳微波原子钟的100倍。考虑到将微波信号的稳定性提高10倍就花了20年的时间，借由光频梳一下子把稳定性提高100倍可谓巨大的进步。

作为重新定义“秒”的路线图的一部分，在未来的光学秒定义和目前的微波秒定义之间建立起联系是必需的。计量学家计划于2026年召开的下一届度量衡大会上提交一份重新定义“秒”的表决动议。

对于重新定义“秒”，首先要确定一个所有人都同意的精度截断点。这预计不会是一件容易的事情。一旦达成了一致，接下来就要协商用哪一种光钟用作官方重新定义“秒”的依据。眼下世界各地的实验室研发了至少10种不同的光钟，没有一种明显优于其他的。

这些钟不仅所使用的原子类型有所不同，构造也不尽相同。作为一种领跑的设计，能够同时测量约10000个中性原子的光格钟可以提供稳定且精密的走时。其他的种类还包括单陷俘离子钟，它可以测量单个带电原子的跃迁频率，由此可以减小测量的不确定性。但是，它比光格钟输出的信号弱，因此需要更长的时间才能得到测量结果。

目前光钟设计上的多样性是一件好事，因为它可以提供不同的解决方案，但最终必定要有一个胜出。这一决定将根据专家、委员会、工作组的建议，由度量衡大会的代表做出。它在很大程度上是一个权衡的问题，而非科学问题。

在此之前，除了要确认不同光钟的测量结果之外，还有许多科学上的障碍需要跨越。光钟与光钟、光钟与最好的微波钟之间需要进行比对，这一过程意在确保结果的相容性和可重复性。通过使用光纤相互连接，各国实验室之间已经在进行光钟的比对。不过，不同的光鐘有时会给出稍有不同的结果，这令科学家感到困惑，但这也是整个过程的意义所在。计量学的核心要义就是切实评估所有会出错的地方。科学家希望在未来5年内搞清楚所有可能导致光钟出错的地方，并确保它们不会发生。

未来的原子钟

新的“秒”的定义会沿用多久仍是个未知数。就像光钟的前任微波钟一样，光钟总有一天会被超越。不同于目前依据原子核外电子跃迁的微波钟和光钟，科学家已经开始思考基于原子核跃迁的钟。

未来的原子钟还必须应对由爱因斯坦的广义相对论所描述的时间特性。广义相对论预言，在地球引力场中的不同位置，钟走的速度会变快或变慢。随着钟的精度不断提升，这一效应将会开始显现。那时，我们也许就会碰到大自然为人类设定的时间测量的基本极限。

（作者为天文学博士，现为南京大学天文与空间科学学院教授、江苏省天文学会理事）

（摘自《科学画报》2020年第12期）