人类创造了时间这个概念，每个人都有时间观念，但你不会在意，一秒钟有多大作用。甚至你不曾想过，一秒钟是一个什么样的概念，是多长时间？

一、国际主单位制和七个基本物理量

首先从日常生活中出发，我们会接触到各种“物理量”，无论你是否知道它们背后的含义，你都得和这些概念打交道。例如：长度（距离）、质量、时间、温度、力、能量、功率等等。

科学离不开实验，实验离不开测量和记录，于是计量体系被最早的提到国际标准日程上来讨论，由此诞生了称为“国际单位制”，用于准确规定每个物理量和它们的单位。

国际单位制中，最重要的一项成果就是规定了七个基本物理量和它们的“主单位”，并给出了这七个主单位的标准定义，其它物理量都可以通过这七个基本物理量计算得到。

这七个基本物理量和它们的主单位分别是：时间单位 秒（s）、长度单位 米（m）、质量单位 千克（kg）、电流强度单位 安培（A）、热力学温度单位 开尔文（K）、物质的量单位 摩尔（mol）、发光强度单位 坎德拉（cd）。

我们今天要重点展开的就是时间的主单位——秒。

二、钟摆与一秒钟

在原始社会或者农耕文明中，捕猎、采摘果子和种田，是大家人生的主旋律。日出而作日落而息是对于时间的最直观认知，时间用一天的长度来衡量。时钟调到500年前，有幸进入皇宫打工的各位小伙伴，这时候有可能碰到小时制，中国人在古代发明的计时工具日晷，已经能够细致到一个时辰（两小时），但和“一秒钟”还是相差甚远的。

时间再往前推移，近代科学的奠基人之一，伽利略，天才的在教堂做礼拜的时候，看到一个巨大的单摆在运动，收此启发而洞悉了单摆的周期运动规律，导致了近代摆钟的诞生，为“一秒钟”现世，扫清了最后的障碍。可是伽利略本人，做实验用以计时的方法，还是得用自己的脉搏来计数的。

克里斯蒂安·惠更斯发明了首个摆钟。| Wikipedia

摆动的钟摆是靠重力势能和动能相互转化来摆动的，简单地说，如果你把钟摆拉高，由于重力影响它会往下摆，而到达最低位置后它具有一个速度，不可能直接停在那（就好像刹车不能立刻停住），由于惯性它会继续冲过最低位置，而摆至最高位置就往回摆是因为重力使它减速直到0，而此时钟摆扔有向下的加速度。如此往复，就不停地摆动了。

按照以上描述，钟摆可以永远摆下去，但由于阻力存在，它会摆动逐渐减小，最后停止。所以要用发条来提供能量使其摆动。

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。

钟摆原理的发现，迅速催生出近代的时钟——单摆时钟的繁荣，为科学测量打开了一扇大门。归根结底，脉搏也好，单摆也罢，它们都利用了最基本的一个物理特性——物质最小振荡周期。正是从振荡周期出发，我们定义出时钟里最小的时间长度单位，也是7大物理主单位——时间长度单位——秒。

三、地球的自转与一秒钟

上次我们说过为什么时间使用的是60进制，一天是24小时，一小时60分钟，1分钟60秒。1820年法国科学院正式提出：将一个平均太阳日的1/86400作为一秒，我们把它正式称作世界时秒。实际上，在过去的很长一段时间里，人们确实都是这样定义“秒”的，但在天体物理学逐渐发展起来之后，人们却发现这种定义是不恰当的，为什么呢？

因为“天”这个时间单位是根据地球的自转周期来定义的，而科学家却发现地球的自转速度并非一成不变，平均每100年，地球的自转周期就会减缓大约0.00164秒。

在此之后，人们就开始积极寻找一种比地球自转更稳定的周期现象（最好是完全稳定），并以此来精确定义“秒”这个时间单位。

在1967年举行的第13届国际度量衡大会上，人们最终将1秒的时间定义为“铯-133原子基态的两个超精细能阶之间发生跃迁时所辐射出的电磁波的振荡周期的9192631770倍的时间”。

四、量子力学与一秒钟

二十世世纪中叶，由于量子力学的发展，发展了诸如光谱超精细结构、镁射及雷射、光磁共振（Optical Pumping）、分子束磁共振、分离震荡场等实验及研究，使量子频率标准取代以天体运动为标准之天体时而成为计时标准。1967年，CIPM定义秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。此秒定义一直维持至今。

量子力学让科学家对于粒子世界的规律有了巨大的突破，很快就有人将这些突破落到了实处。NIST的美国物理学家哈罗德·莱昂斯 (Harold Lyons)于1949年利用氨分子的振动制造出了第一架原子钟。简单的说，由1个氮原子和3个氢原子组成一个很像三菱锥的氨分子。这些原子振动速度极快，1秒钟内发生240亿次。可以大大提高秒的精确度。

1967年，国际计量大会决定采用铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定义为1秒。并且还规定，按1900年为平均太阳年。秒定义为：1秒为平均太阳年的1/31556925.9747。

这里的铯钟指的是实验室型大铯钟，例如：德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-CsI、美国国家标准局的NBS-6及加拿大国家研究院的NRC-CsV；它们的准确度均已达到10^-14量级。

五、光晶格钟与一秒钟

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“光晶格钟”来说，2003年，香取秀俊（Hidetoshi Katori）教授制作完成了首个“光晶格钟”。

光晶格钟通过使被称作“魔法波长”的一种特定波长的激光发生干涉，在干涉形成的微小空间（即光晶格）中，保证不发生原子间相互作用的前提下逐个地捕获约100万个被激光冷却的原子。然后，用激光照射这些被捕获的原子，精确地测量有光的吸收作用的“原子振子”的振动数。

正是这种对光的振动的计数决定了1秒钟的时间长度。光晶格钟比现行原子钟的精度高出数百倍乃至数千倍，进而使时间单位“秒”的精度也有了飞跃性的提高。光晶格钟的发明刷新了时间单位“秒”的定义。

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