“時間”對話

我有個做原子鐘的學物理的李朋友。

我的思維是發散思維，上一會兒晃到這邊，下一會兒悠到那邊，時常冒出一些和我的工作、專業、生活不着邊的想法。

某一天的某一刻，忽然對時間是怎麼定義的有了興趣，於是就有了和李朋友通過信件的對話。

後來再看看這段對話，覺得挺有意思，還覺得我好像是在較真，是在抬槓，哈哈。

或許可以給也有興趣的同學們增加一點兒科普知識，就記錄在下面了。

草：

上網查了一下，“1963年13屆國際計量大會決定：銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周所持續的時間為1秒。”也就是說，時間是人為定義的，對吧？
有個問題，能級間躍遷輻射震盪多少周是怎樣測定的？測定什麼東西？

李：

時間最早是地球繞太陽一圈是24小時，是天文鐘。

後來出現各種鍾……

後來精度越來越高，1963年定義為銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周所持續的時間為1秒。

這是和地球時間比較的精確結果。這樣每幾年還會有閏秒。能級間躍遷輻射震盪多少周，用理科人說就是測量躍遷輻射震盪頻率。

測量9.19GHz的頻率，有頻譜儀就可以了。

草：

問幾個外行的問題。
1，時間最初是根據天文鐘決定的，地球繞太陽一周是24小時，然後再把1小時人為分為60分鐘，把1分鐘分為60秒。這是地球人定義的時間。那麼在測量能級間躍遷輻射震盪時應該是測量1秒鐘內震盪了多少周，而不是反過來，用震盪了多少周確定1秒鐘。怎麼知道銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周所持續的時間就一定是1秒鐘呢？是人類把這個持續時間自主定義為1秒鐘！也可以定義為2秒鐘，3秒鐘呀。
2，能級間躍遷是指原子內的電子受到外來能量的激發從低能級躍遷到高能級吧？然後再從高能級回到低能級，兩個能級間的差的能量以光波形式發射出來，用頻譜儀測定這個光波的頻率。是這樣吧？但怎麼讓電子在相同的兩個能級間持續不斷地來回折騰呢？應該是連續不斷地向原子提供與兩個能級間的能量差相同的能量。但這個能量也會產生光波，而且應該和躍遷產生的光波相同。那怎麼知道在頻譜儀上測出的是哪一個光波呢？

李：

1．是啊！先有一秒鐘！但是以前定義的1秒鐘不準確，比如說過去中國用農曆，測月亮繞地球的周期。

每幾年差一個月就有了閏月，後來用公曆，測地球繞太陽的周期，所以有了閏日，二月份有28日和29日。

現在用Cs133，每隔數年才有閏秒。頻率的定義是每秒震動的周期。原子周期比月亮，地球的周期穩定多了。

所以用了Cs133兩個超精細能級間躍遷輻射震盪是9192631770次/秒作定義。這個秒和過去定義的秒要基本吻合。

否則1天就是12小時，8小時，不符合長期人們的習慣。

2．實際上9192631770次/秒是兩個電子自旋反轉的頻率，不是光頻率，要讓電子從低能級到高能級，再從高能級到低能級躍遷要做好多精密控制。觀測光波時用光過濾器，只測某一成分的概率。我想化學實驗也是一樣的。

草：

實際上是拿測定的最穩定的時間和實際時間就和，所以有這麼一個9192631770次震盪周期，而不是個整數。對嗎？
太具體的物理操作我也看不懂。隔行如隔山。我只能看看科普知識。

李：

是啊！1秒的長度定義在先，在這個前提下133Cs的頻率是9192631770。

只是它的震盪周期的精度比別的振盪周期更穩定。現在有更穩定的了……

草：

我覺得，你們這些做時間標準的科學家們在鑽牛角尖，而且走在一條錯誤的道路上。一葉障目，不見泰山。
地球繞太陽一周是地球人的一年，地球人定義地球的一年是365天，1天24小時，1小時60分鐘，1分鐘60秒。但實際上地球公轉一周的時間和地球人規定的365天的時間有差異，所以有閏年一說。
“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。”
在計算機時代之前，閏年多一天沒有太多麻煩。有了計算機後，計算機自己不會自動識別閏年，所以在時間計算上會有很多麻煩。我以為標準時間界的科學家們當務之急不是拼命去尋找一個更穩定的時間標準，而是應該致力建立一個新的時間體系，使地球人的一年與地球公轉一圈的時間吻合。這會節省很多調整時間的資源。新的時間體系可能會與現行的時間體系有衝突。如果新的時間體系更科學，強制推行一段時間後人們就會適應了。畢竟這是長遠之計。不知以前有沒有人提過建立新時間體系一說。

李：

不是這樣的，我們對一年的長度有多少不在意（天文學家很在意），而在意一秒鐘的精度。這個精度的意義在宏觀世界不太明顯，在微觀世界就很重要了，火箭發射後的每一秒鐘火箭在什麼地方，宇宙探測器向哪裡飛行，不是以一年為單位，而是以一秒為單位。

一秒乘以光速是距離。高速時一秒鐘很重要。

李：

現在由於時間的精度在提高，已經是幾年閏一秒的精度了，所以有些國家說閏秒太麻煩又花錢。

廢止閏秒，幾百年再閏一分算了。有的國家堅持閏秒。政治問題，哈哈！

草：

你說的幾年閏1秒應該是時間誤差。我說的是地球人定義的一年的時間和地球公轉一圈的時間的誤差，這個誤差是地球時間的5.8小時。也就是地球從軌道A點出發繞太陽運行，經過地球人的365天后還沒回到A點。所以應該把現在的地球人的1秒鐘再延長一點，使地球經過365天后恰好回到A點，然後再去確定這新的1秒鐘的精確度。不過你們管不了這些事情。這得到聯合國上去決定修改現行的時間長度。
如果改不了，原因可能是因為地球自轉，地球回到軌道A點時地球上的B點偏離了出發時的B點。也就是地球公轉1周不是整好365個太陽日。如果照顧到公轉時間和一年時間相吻，過若干年後，白天黑夜就要顛倒了。

李：

天文時間和國際原子時不一樣。實際上地球旋轉速度也是變得，現在慢慢變慢，以後不知道。

標準不由聯合國管，由國際度量衡組織管。

草：

關於時間，還想問問你。
俗話說，沒有規矩，不成方圓。也就說，在測量什麼時，都要有一個標準。我古狗了一下，以前時間的標準，秒的定義是平均太陽日的1/86,400，現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。
現在銫原子鐘是時間標準，其它時間工具以銫原子鐘為準進行校準。說哪個手錶走得准，是說以標準時間為準，那個手錶的時間誤差更小。
你說你們正在尋找比銫原子鐘更精確的東西。如果你們能找到更精確的東西，就是要修改標準了？
一般而言，只能無限趨盡於標準，而不能超過標準。如果標準能被超越，則標準就不成其標準了。
換個說法，A是個武術師傅，一分鐘內可以可以踢出60腳，別人都踢不出60腳，於是大家都拜A為師。來了一個B，B一分鐘內可以踢出90腳。於是大家都改拜B為師，A也拜B為師了。
再換一個角度，假設找到另一種原子鐘，在銫原子鐘的一秒內，其兩個超精細能階間躍遷對應輻射的的持續時間是M個周期，M遠遠大於9,192,631,770個週期。如果以銫原子鐘為準，怎麼判定一秒鐘內新原子鐘的M個周期更準確還是M＋1個周期更準確？
不知我提的問題說清楚了沒有。

李：

哈哈，比我還認真。准和不准不是說你一秒鐘走多少，而是說一秒鐘走的誤差是多少。

比如說銫鐘，它一秒鐘誤差是1Hz,他的誤差精度是Δf/f = 1/9,192,631,770。

我如果發現另一個原子的一個躍遷，他的躍遷頻率是光頻，例如411THz,他一秒鐘誤差也是1Hz的話，他的誤差精度是Δf/f = 1/411THz，他就比銫鐘的精度高5個數量級。

是這個道理吧

草：

還是有問題。按你的說法，現在用銫鐘做標準，是因為到現在為止，銫鐘的誤差最小。既然規定9,192,631,770個周期為標準，為什麼不是9,192,631,771個周期或者9,192,631,769個周期呢？因為9,192,631,770個周期最接近一秒鐘。是這樣吧？所以又回到老問題來了，一秒鐘的標準時間是怎麼定義的呢？

李：

是啊，到上世紀為止人類只能精確測定微波頻率，現在我們發明了一種叫光梳的激光工具。

它能把光頻和微波頻率同時測准（2000年諾貝爾獎），所以我們就可以精確測量光頻率了。

同樣誤差的前提下(例如1Hz)，我們就要從測量微波的9,192,631,770Hz，改為測量光頻率，

例如411THz了。

草：

你還是沒回答我的問題，就是什麼是標準時間？
換個問法吧，你知道把9,192,631,770個周期人為地規定為一秒鐘的理由是什麼嗎？為什麼不能是9,192,631,771個周期或者9,192,631,769個周期呢？

李：

有時間我再細細說，你這樣想過去我們定義了一天是24小時，一小時是60分，一分是60秒。秒就是最小單位，比一秒精確的單位就不知道了，後來發明了單擺，又發現了齒輪鍾，精度就高了10倍。有了石英鐘精度又高了（周期增加了，就好像單位長度的刻度增加了）。後來知道了銫原子一秒鐘（一秒是不變的，一秒的細分在改變，也就是說精度在改變）有9,192,631,771個周期。我們就能把一秒分成9,192,631,771個刻度，那麼我們就能把一秒分成9,192,631,771份，那麼測定1份精度就提高了。如果我們能把一秒分成更高刻度的話，我們測定一份的精度也提高了。能明白嗎？