一“秒”有多久

羅鋒

時間是一種客觀存在，是人類認(rèn)識、歸納、描述自然的結(jié)果。先秦著作《尸子》中有云：“四方上下曰宇，往古來今曰宙。”“宇”代表上下四方，即所有的空間;“宙”代表往古來今，即所有的時間。這是迄今在中國典籍中找到的與現(xiàn)代“時空”概念最好的對應(yīng)。日月更替，斗轉(zhuǎn)星移，人類在數(shù)千年的歷史長河中不斷探索著時間的奧秘。今天我們就來聊聊“秒”。

“秒”的誕生

古人從地球自轉(zhuǎn)中找到了關(guān)于時間的自然標(biāo)準(zhǔn)，這種將某地天文子午面兩次對向太陽圓面中心（即太陽圓面中心兩次上中天）的時間間隔稱作“真太陽日”。但后來，人們發(fā)現(xiàn)地球不僅有自轉(zhuǎn)，還有公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的軌道還是一個橢圓，且近日點公轉(zhuǎn)速度快，遠(yuǎn)日點公轉(zhuǎn)速度慢，這就造成了每一個“真太陽日”的時間是不同的，最長的“真太陽日”和最短的“真太陽日”相差51秒。并且，太陽在黃道上運行，而一日之長是在天赤道上度量的，由于黃道和赤道斜交，故有黃赤交角存在。這樣一來，即使地球公轉(zhuǎn)是勻速的，每日太陽黃經(jīng)差都是59′，而由它所造成的赤經(jīng)差也是不等的。每日赤經(jīng)差是每日黃經(jīng)差在天赤道上的投影，投影的長度隨季節(jié)變化而不同。即由于黃赤交角存在，而使真太陽日在二分前后變短，在二至前后變長，長短相差±21秒。可見，它是導(dǎo)致真太陽日長短不等的主要因素。因此，天文學(xué)上把一年中真太陽日的平均值稱為“平太陽日”，并且把1/24平太陽日取為1平太陽時。我們平時所說的“日”和“時”，就是平太陽日和平太陽時的簡稱。于是，世界上第一個“秒”的定義出現(xiàn)了：1個平太陽日的1/86400為1秒。以天文秒為基本單位建立的時間計量系統(tǒng)就是世界時。

到了1956年10月，國際計量委員會（CIPM）采納了新的“秒”定義：自歷書時1900年1月0日12時起算的回歸年的1/31556925.9747。

然而，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的周期不是恒定不變的，一天的時間在每個世紀(jì)變長了1.7毫秒。

19世紀(jì)初，隨著物理學(xué)的快速發(fā)展，特別是量子物理學(xué)的建立，物理學(xué)家們認(rèn)識到：原子內(nèi)電子能級間的特征躍遷頻率，具有比天文現(xiàn)象更高的穩(wěn)定度，更適合作為時間標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)家們用當(dāng)時的天文秒長當(dāng)“尺子”，盡可能準(zhǔn)確地測量銫133原子相應(yīng)能級間的躍遷周期數(shù)。在1個天文秒里，他們數(shù)出銫133原子“振動”了9192631770次。

1952年，全球第一臺原子鐘在英國面世。其后，更多先進(jìn)的原子鐘在美、法等國家問世。鑒于原子鐘卓越的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，1967年第13屆國際計量大會（CGPM）重新定義了“秒”——用銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷時所輻射的電磁波的9192631770個周期的持續(xù)時間替代了原有的基于地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的1秒。這標(biāo)志著“原子時”的誕生，宣告了一個以量子定義時間的新時代正式到來。從此，人類測量時間不再依靠觀星星測太陽，實驗室型銫原子基準(zhǔn)鐘成為復(fù)現(xiàn)“秒”定義的手段。今天，全球最好的銫原子噴泉鐘不確定度已經(jīng)達(dá)到了10-16量級，相當(dāng)于幾億年不差1秒。

“秒”的協(xié)同

原子鐘的誕生讓時間計量不再基于太陽，且準(zhǔn)確度大大提高。但由此也產(chǎn)生出另外一個問題，即有了兩種時間計量系統(tǒng)：基于天文測量得出的“世界時”和以原子振蕩周期確定的“原子時”。世界時由于地球自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定（因地球物質(zhì)分布不均勻和其他星球的攝動力等問題引起）會帶來時間的差異，原子時則是相對恒定不變的。為使原子鐘所指示的時間與平時人們使用的世界時基本同步，要求兩者之差不得超過±0.9秒。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)變慢，原子時誤差將超過0.9秒時，便人為地加進(jìn)1秒，反之則扣去1秒。加減必須在特定的時刻進(jìn)行：12月31日或6月30日的最后1分鐘的最后1秒之后。

1971年，經(jīng)由國際計量大會通過決議，使用以原子時秒長為基礎(chǔ)的“協(xié)調(diào)世界時”來計量時間。當(dāng)“協(xié)調(diào)世界時”和“世界時”之差超過0.9秒時，國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）就負(fù)責(zé)對“協(xié)調(diào)世界時”撥快或撥慢1秒，這就是閏秒。

自1971年首次增加閏秒以來，截至2017年，“協(xié)調(diào)世界時”已經(jīng)調(diào)整了27個閏秒。雖然閏秒調(diào)整對普通民眾的日常生活不會產(chǎn)生影響，但對特殊行業(yè)來說卻會產(chǎn)生很大影響。比如，網(wǎng)絡(luò)通信上，協(xié)調(diào)世界時被用在很多互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，像網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議就是其中的一種。如果出現(xiàn)1秒的誤差，就全亂了套。移動電話、金融交易、互聯(lián)網(wǎng)、電力和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴于時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)。

“秒”的展望

作為國際計量單位制的基礎(chǔ)、核心和關(guān)鍵，時間頻率基準(zhǔn)已率先完成量子化變革，其定義從“天文時”轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠幽芗壾S遷的“原子時”，測量準(zhǔn)確度迅速提升了1000萬倍以上。

正是基于時間定義的量子化變革，實現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位，其準(zhǔn)確度已達(dá)到了厘米級別。高準(zhǔn)確度時間頻率基準(zhǔn)鐘的研制，是保證國家時間頻率計量體系獨立完整性的關(guān)鍵，關(guān)系到國家的核心利益。因此，人們還在不遺余力地探索著。有研究成果表明，光鐘將比目前最好的時鐘精度提高100倍，能提供“對物理世界更細(xì)致地觀察”，并有助于建立對自然界基本定律更深入的認(rèn)識。該研究成果也將對衛(wèi)星導(dǎo)航、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)同步等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生影響。