“时间”对话

我有个做原子钟的学物理的李朋友。

我的思维是发散思维，上一会儿晃到这边，下一会儿悠到那边，时常冒出一些和我的工作、专业、生活不着边的想法。

某一天的某一刻，忽然对时间是怎么定义的有了兴趣，于是就有了和李朋友通过信件的对话。

后来再看看这段对话，觉得挺有意思，还觉得我好像是在较真，是在抬杠，哈哈。

或许可以给也有兴趣的同学们增加一点儿科普知识，就记录在下面了。

草：

上网查了一下，“1963年13届国际计量大会决定：铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。”也就是说，时间是人为定义的，对吧？
有个问题，能级间跃迁辐射震荡多少周是怎样测定的？测定什么东西？

李：

时间最早是地球绕太阳一圈是24小时，是天文钟。

后来出现各种钟……

后来精度越来越高，1963年定义为铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。

这是和地球时间比较的精确结果。这样每几年还会有闰秒。能级间跃迁辐射震荡多少周，用理科人说就是测量跃迁辐射震荡频率。

测量9.19GHz的频率，有频谱仪就可以了。

草：

问几个外行的问题。
1，时间最初是根据天文钟决定的，地球绕太阳一周是24小时，然后再把1小时人为分为60分钟，把1分钟分为60秒。这是地球人定义的时间。那么在测量能级间跃迁辐射震荡时应该是测量1秒钟内震荡了多少周，而不是反过来，用震荡了多少周确定1秒钟。怎么知道铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间就一定是1秒钟呢？是人类把这个持续时间自主定义为1秒钟！也可以定义为2秒钟，3秒钟呀。
2，能级间跃迁是指原子内的电子受到外来能量的激发从低能级跃迁到高能级吧？然后再从高能级回到低能级，两个能级间的差的能量以光波形式发射出来，用频谱仪测定这个光波的频率。是这样吧？但怎么让电子在相同的两个能级间持续不断地来回折腾呢？应该是连续不断地向原子提供与两个能级间的能量差相同的能量。但这个能量也会产生光波，而且应该和跃迁产生的光波相同。那怎么知道在频谱仪上测出的是哪一个光波呢？

李：

1．是啊！先有一秒钟！但是以前定义的1秒钟不准确，比如说过去中国用农历，测月亮绕地球的周期。

每几年差一个月就有了闰月，后来用公历，测地球绕太阳的周期，所以有了闰日，二月份有28日和29日。

现在用Cs133，每隔数年才有闰秒。频率的定义是每秒震动的周期。原子周期比月亮，地球的周期稳定多了。

所以用了Cs133两个超精细能级间跃迁辐射震荡是9192631770次/秒作定义。这个秒和过去定义的秒要基本吻合。

否则1天就是12小时，8小时，不符合长期人们的习惯。

2．实际上9192631770次/秒是两个电子自旋反转的频率，不是光频率，要让电子从低能级到高能级，再从高能级到低能级跃迁要做好多精密控制。观测光波时用光过滤器，只测某一成分的概率。我想化学实验也是一样的。

草：

实际上是拿测定的最稳定的时间和实际时间就和，所以有这么一个9192631770次震荡周期，而不是个整数。对吗？
太具体的物理操作我也看不懂。隔行如隔山。我只能看看科普知识。

李：

是啊！1秒的长度定义在先，在这个前提下133Cs的频率是9192631770。

只是它的震荡周期的精度比别的振荡周期更稳定。现在有更稳定的了……

草：

我觉得，你们这些做时间标准的科学家们在钻牛角尖，而且走在一条错误的道路上。一叶障目，不见泰山。
地球绕太阳一周是地球人的一年，地球人定义地球的一年是365天，1天24小时，1小时60分钟，1分钟60秒。但实际上地球公转一周的时间和地球人规定的365天的时间有差异，所以有闰年一说。
“若以陽曆為例，「年」的計算基礎是回歸年，而一個回歸年大約等於365.24220日。因為在平年西曆只計算365日，結果四年後便會累積0.24220×4=0.9688日，大約等於一日，所以便逢四年增加一日閏日以抵銷這0.9688日。然而，累積4年後多的0.96876天，與真正的1日尚差0.03124天，故如果不間斷地按照4年1閏的方式修正，百年後將累積成365×100+25=36525日，比真正的1世紀日數365.24219×100=36524.219多。因此曆法學家便重新規定閏年的規則為：西元年份逢4的倍數閏、100的倍數不閏、400的倍數閏。例如：公元1992、1996年等為4的倍數，故為閏年；公元1800、1900、2100年為100的倍數，當年不閏；公元1600、2000、2400年為400的倍數，故有閏。”
在计算机时代之前，闰年多一天没有太多麻烦。有了计算机后，计算机自己不会自动识别闰年，所以在时间计算上会有很多麻烦。我以为标准时间界的科学家们当务之急不是拼命去寻找一个更稳定的时间标准，而是应该致力建立一个新的时间体系，使地球人的一年与地球公转一圈的时间吻合。这会节省很多调整时间的资源。新的时间体系可能会与现行的时间体系有冲突。如果新的时间体系更科学，强制推行一段时间后人们就会适应了。毕竟这是长远之计。不知以前有没有人提过建立新时间体系一说。

李：

不是这样的，我们对一年的长度有多少不在意（天文学家很在意），而在意一秒钟的精度。这个精度的意义在宏观世界不太明显，在微观世界就很重要了，火箭发射后的每一秒钟火箭在什么地方，宇宙探测器向哪里飞行，不是以一年为单位，而是以一秒为单位。

一秒乘以光速是距离。高速时一秒钟很重要。

李：

现在由于时间的精度在提高，已经是几年闰一秒的精度了，所以有些国家说闰秒太麻烦又花钱。

废止闰秒，几百年再闰一分算了。有的国家坚持闰秒。政治问题，哈哈！

草：

你说的几年闰1秒应该是时间误差。我说的是地球人定义的一年的时间和地球公转一圈的时间的误差，这个误差是地球时间的5.8小时。也就是地球从轨道A点出发绕太阳运行，经过地球人的365天后还没回到A点。所以应该把现在的地球人的1秒钟再延长一点，使地球经过365天后恰好回到A点，然后再去确定这新的1秒钟的精确度。不过你们管不了这些事情。这得到联合国上去决定修改现行的时间长度。
如果改不了，原因可能是因为地球自转，地球回到轨道A点时地球上的B点偏离了出发时的B点。也就是地球公转1周不是整好365个太阳日。如果照顾到公转时间和一年时间相吻，过若干年后，白天黑夜就要颠倒了。

李：

天文时间和国际原子时不一样。实际上地球旋转速度也是变得，现在慢慢变慢，以后不知道。

标准不由联合国管，由国际度量衡组织管。

草：

关于时间，还想问问你。
俗话说，没有规矩，不成方圆。也就说，在测量什么时，都要有一个标准。我古狗了一下，以前时间的标准，秒的定義是平均太陽日的1/86,400，现在秒作為時間的國際標準單位是銫133原子基態的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9,192,631,770個週期的持續時間。
现在铯原子钟是时间标准，其它时间工具以铯原子钟为准进行校准。说哪个手表走得准，是说以标准时间为准，那个手表的时间误差更小。
你说你们正在寻找比铯原子钟更精确的东西。如果你们能找到更精确的东西，就是要修改标准了？
一般而言，只能无限趋尽于标准，而不能超过标准。如果标准能被超越，则标准就不成其标准了。
换个说法，A是个武术师傅，一分钟内可以可以踢出60脚，别人都踢不出60脚，于是大家都拜A为师。来了一个B，B一分钟内可以踢出90脚。于是大家都改拜B为师，A也拜B为师了。
再换一个角度，假设找到另一种原子钟，在铯原子钟的一秒内，其兩個超精細能階間躍遷對應輻射的的持續時間是M个周期，M远远大于9,192,631,770個週期。如果以铯原子钟为准，怎么判定一秒钟内新原子钟的M个周期更准确还是M＋1个周期更准确？
不知我提的问题说清楚了没有。

李：

哈哈，比我还认真。准和不准不是说你一秒钟走多少，而是说一秒钟走的误差是多少。

比如说铯钟，它一秒钟误差是1Hz,他的误差精度是Δf/f = 1/9,192,631,770。

我如果发现另一个原子的一个躍遷，他的躍遷频率是光频，例如411THz,他一秒钟误差也是1Hz的话，他的误差精度是Δf/f = 1/411THz，他就比铯钟的精度高5个数量级。

是这个道理吧

草：

还是有问题。按你的说法，现在用铯钟做标准，是因为到现在为止，铯钟的误差最小。既然规定9,192,631,770个周期为标准，为什么不是9,192,631,771个周期或者9,192,631,769个周期呢？因为9,192,631,770个周期最接近一秒钟。是这样吧？所以又回到老问题来了，一秒钟的标准时间是怎么定义的呢？

李：

是啊，到上世纪为止人类只能精确测定微波频率，现在我们发明了一种叫光梳的激光工具。

它能把光频和微波频率同时测准（2000年诺贝尔奖），所以我们就可以精确测量光频率了。

同样误差的前提下(例如1Hz)，我们就要从测量微波的9,192,631,770Hz，改为测量光频率，

例如411THz了。

草：

你还是没回答我的问题，就是什么是标准时间？
换个问法吧，你知道把9,192,631,770个周期人为地规定为一秒钟的理由是什么吗？为什么不能是9,192,631,771个周期或者9,192,631,769个周期呢？

李：

有时间我再细细说，你这样想过去我们定义了一天是24小时，一小时是60分，一分是60秒。秒就是最小单位，比一秒精确的单位就不知道了，后来发明了单摆，又发现了齿轮钟，精度就高了10倍。有了石英钟精度又高了（周期增加了，就好像单位长度的刻度增加了）。后来知道了铯原子一秒钟（一秒是不变的，一秒的细分在改变，也就是说精度在改变）有9,192,631,771个周期。我们就能把一秒分成9,192,631,771个刻度，那么我们就能把一秒分成9,192,631,771份，那么测定1份精度就提高了。如果我们能把一秒分成更高刻度的话，我们测定一份的精度也提高了。能明白吗？