一秒究竟有多久一秒有多长时间

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以更精确地方式定义我们的计量系统，最终能产生的效应往往是深远的。2018年11月16日，在第26届国际度量衡大会中，60个成员国代表投票通过了对一个重要的基本单位——千克的重新定义。在新的定义中，1千克等于普朗克常数乘以6.62607015×10+34m-2s 。在那之后，科学家又将目光投向了时间的基本单位——秒。

在一项于近期发表在《自然》杂志上的研究中，美国国家标准技术研究所（NIST）的一个研究小组通过对三个原子钟采用一种新的测量方法，朝着这个目标迈出了重要一步。

自古以来，许多不同的文化都发展出了各自计量时间的方法和设备。一个突破发生在17世纪，当时，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯建造了第一台摆钟。固定长度的钟摆总是以相同的频率来回摆动，起到计时的作用。

克里斯蒂安·惠更斯发明了首个摆钟。| 图片来源：Wikipedia

到了18世纪，英国钟表师约翰·哈里森（John Harrison）在惠更斯的想法的基础上，进一步地对计时仪器做出了改进。他意识到更小的、频率更高的振荡器，可以带来更稳定的共振，从而使钟表拥有更加可靠的计时能力。

现在，许多钟表采用一块小小的石英晶体来作为振荡器，它的形状就像一个微型的音叉，振动频率非常高，因此稳定性能非常好。在过去的一百多年里，石英钟表在设计上并没有太大变化，只是它们的价格变得更加便宜，可复制性也越来越强。最大的不同在于我们检查石英钟的方式。

在过去，石英钟表的校正需要借助一些规律的天文现象；而现在，我们可以根据原子内部的自然振荡来调节时钟。

原子钟最初由英国物理学家路易斯·埃森（Louis Esseb）创造的，它的工作原理是计算原子中的电子自旋的翻转频率 。1967年，科学家通过铯-133原子在微波频率下的跳动，重新定义了时间的基本单位——秒。自那之后，1秒就被定义为铯原子的电子自旋翻转9192631770次的持续时间。这一定义一直沿用至今。

这是非常惊人的高精度，而这种精度有着至关重要的意义。比如以已经融入我们日常生活的全球定位系统（GPS）来说，每颗GPS卫星都携带一个原子钟，而根据爱因斯坦的相对论，我们知道绕地球高速运行的卫星上的原子钟的时间流逝，会稍慢于地面上的时钟。如果没有这种高精度的定义，我们就无法对这些微小的差异进行修正，GPS定位也就不可能实现。

不过，精益求精的科学家并不满足止步于此，他们还在思考这样一个问题：我们是否可以对秒做出更加精确的定义？

这个问题的答案，可以归结于是否还可以提高振荡器的频率。就拿铯原子来说，它有着与微波相对应的自旋翻转共振频率；但有的原子则有着与比微波频率还要高上百万倍的可见光相对应的共振频率。

在这篇于3月24日正式发表的研究中，NIST的研究人员描述了一种非常具有挑战性的测量方法。在实验中，他们使用了三种分别基于铝离子（Al?）、镱原子（Yb）、锶原子（Sr）的光学原子钟。他们将铝离子钟和镱原子钟置于NIST的不同实验室里，将锶原子钟置于离NIST约1.5千米之外的JILA（美国实验室天体物理联合研究所）中。

NIST的研究人员精确地比较了来自三个光学原子钟的信号，其中两个原子钟位于NIST的不同实验室（标注了Yb和Al+/Mg+的原子钟)，还有一个（Sr）位于1.5公里外的JILA 。| 图片来源：N. Hanacek/NIST

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