「秒」的定义是什么?

Luyao Zou,光谱学|实验天体化学|超爱老婆
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秒的定义,网络上很容易搜得到。2019 年国际单位制改版之后,科学家更新了 1 秒的定义,表达为:

秒,符号 s,SI 的时间单位。当铯的频率ΔνCs,即铯 133 原子基态的超精细能级跃迁频率以单位 Hz,即 s−1,表示时,将其固定数值取为 9192631770 来定义秒。

可见,这个 9192631770,是人为给出来的,它后面没有跟着任何不确定度

不过,普通人从这句充满术语的定义中,很难想象出原子钟究竟如何工作。

原子钟的工作原理,使用的是光谱学技术。

简单来说,我们知道量子力学里面说原子有很多很多的分立的能级。原子在两个能级之间跃迁,会吸收 / 辐射固定频率的光。

原子钟的基本结构,就是一台非常精密的光谱仪器。它直接测量的并不是时间,而是能级跃迁时发出的光。

原子钟里有一个微波发射器,一个微波接收器,中间放置充满了气态铯原子的真空室。这个微波发射器的发射频率,大约在 9.192632 GHz.

当铯原子被微波照射的时候,它就会吸收能量并且跃迁。随后,它返回到低能级时再发出固定频率的微波。如果微波发射器的频率,正好与铯原子跃迁所需要的频率(能量)一模一样,我们就会观察到最强烈的信号。在仪器输出端就可以看到一条谱线[1]

这套装置中安装了一个反馈电路。反馈电路不断调节着微波发射器发出的微波频率,使得接收器一直能够接收到最强烈的铯原子跃迁信号,也就是图中的这个「峰」。这样,科学家就知道,工作中的微波发射器频率,就应该等于铯原子的跃迁频率。

在这个过程中,科学家并没有直接去数铯原子跃迁每秒发生了多少次,而只是通过各种手段,设法让仪器可以采集到更加尖锐、精确的光谱峰。

随后,科学家向大家宣布,把这个铯原子钟微波发射器中的微波频率,定为 9192631770 Hz。因此,铯原子跃迁的峰在哪里,1s 的定义就在哪里。(假设有一种不知名的神力,悄悄改变了这个峰的频率,1s 的长度就会跟着发生变化——直到我们察觉到,在这种改变了长度的 1s 的计时下,其他的物理量测量出来的都不对了。)

至于为什么是 9192631770 Hz, 不是再多 1 Hz 或者少 1 Hz 呢?这主要还是为了和历史上更早的秒定义保持一致。

自古以来,人类就是通过夜观天象来确定时间和历法的。原子钟出现之前,秒的定义是基于太阳的视运动——把 1 个回归年分成 31556925.9747 份,每份是 1 秒。原子钟出现之后,经过多年的天文观测和比较,科学家把原子钟的频率和太阳的视运动周期相比较,并通过最小二乘法拟合,得出了 9192631770±20 这个数字[2],并将其固定下来作为新的标准。这份结果,发表在了大名鼎鼎的《物理评论快报》PRL 1958 年的创刊号上。

在我们日常使用的电子设备和科研仪器中,常用的时钟也是各种振荡器,例如石英晶体、铷原子钟和氢原子钟。它们的精度比国家计量局建设的高精度铯原子钟要低一些,但是成本低、体积小,可以量产。

而成本高、精度高的铯原子钟,主要用途就是作为基准时钟,为各种设备中的其他时钟作校准。通过复杂的电子电路,我们可以比较两个振荡器输出的交流电频率。我们可以用被锁定在铯 -133 跃迁频率的铯原子钟信号作为参考信号,把自己设备中的时钟振荡频率,与基准频率匹配。

最后,才是向用户输出 1s 是多少,比如计算机、手机和钟表上,每 1s 中数字走一格。这背后,才是用计数器数数,计算设备上的时钟信号经过了多少个完整的信号周期。

使用原子或分子的跃迁来作为频率基准,从而作为时间基准,这个概念,是开尔文勋爵在 1879 年提出的。开尔文勋爵还是很厉害哒,大家不要只盯着两朵乌云黑他。

分子束技术和核磁共振技术的开创者、1944 年诺贝尔物理学奖得主伊西多·拉比(Isidor Rabi)在 1945 年做出了第一个「分子钟」,用的是氨气的能级跃迁。虽然这个分子钟的精度还没有现代石英手表的精度高,但实际验证了开尔文勋爵的设想。之后大家才发现拿铯原子来做,频率测量能够更为精确,便逐渐成为新的标准。

我想,如果未来,大家能找到一种新的测量设备,比铯原子钟的跃迁频率测量还要准确得多,秒的定义就也会随之更改。事实上,现在已经有很多种基于其他跃迁类型的钟了,例如使用可见光而非微波的「光学钟」[3],使用的「光学晶格钟」[4],使用量子逻辑电路的「量子钟」[5],以及使用原子核跃迁(而非电子跃迁)的「原子核钟」[6]

科学家对精密测量的追求不会停止。未来,时钟的精度一定还会不断提升。

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关于 “「秒」的定义是什么?” 的 39 个意见

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