作為一個(gè)化學(xué)元素，銫實(shí)際上已經(jīng)重新對(duì)時(shí)間進(jìn)行了定義。

　　自小時(shí)候到現(xiàn)在，在各種場(chǎng)合你都被告知準(zhǔn)時(shí)很重要?，F(xiàn)在，有了銫原子，全世界各個(gè)地方的時(shí)間都能保持準(zhǔn)確，準(zhǔn)確到讓我們感到需要重新思考時(shí)間是什么。而且我們發(fā)現(xiàn)計(jì)時(shí)技術(shù)中存在一個(gè)奇怪的缺陷。事實(shí)上是在近些年來人們才意識(shí)到準(zhǔn)確及時(shí)的重要性。并不是我們的祖先不需要知道時(shí)間，他們當(dāng)然需要。幾千年來，人類制造出多種多樣精致的儀器來衡量時(shí)間的流逝。 但事實(shí)是直到175年前，在那之前的幾千年里，人們對(duì)于時(shí)間的定義來源都是太陽。不管走到哪里，你總能認(rèn)出什么時(shí)候是正午。晴天里只要看一眼天空或者看一下日晷，你就能知道時(shí)間。

　　這一切隨著世界上第一條鐵路線的開通而改變了，這第一條鐵路就在這里，在英國(guó)。在那之后人們都知道倫敦的正午比布里斯托（Bristol）的正午早10分鐘，這是一個(gè)精確的值，它是陽光走過兩座城市之間的經(jīng)度差所需要的時(shí)間。計(jì)時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致的將不只是乘客會(huì)誤車。由于計(jì)時(shí)偏差導(dǎo)致的危險(xiǎn)事件甚至火車事故越來越多。1840年11月，英國(guó)西部鐵路公司（Great Western Railway）解決了這一問題，他們使用了一個(gè)叫“鐵路時(shí)間”（Railway Time）的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)所有城市的時(shí)間都是倫敦時(shí)間，這是第一次人們根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將不同地點(diǎn)的時(shí)間同步起來。此舉引起了很大爭(zhēng)議。突然間，皇家格林尼治天文臺(tái)（Royal Observatory）就可以從遙遠(yuǎn)的格林尼治控制你的時(shí)間系統(tǒng)。埃克賽特大學(xué)的校長(zhǎng)拒絕將學(xué)校大教堂的時(shí)鐘調(diào)整至英國(guó)西部鐵路公司所要求的時(shí)間。布里斯托采用了一個(gè)折中的方案：時(shí)鐘上有兩個(gè)分針，一個(gè)顯示當(dāng)?shù)貢r(shí)間，一個(gè)顯示“鐵路時(shí)間”。

這座鐘位于布里斯托，鐘上仍舊有兩根分針，兩者表示的時(shí)間相差十分鐘

　　然而“鐵路時(shí)間”逐漸成為了英國(guó)很多地方的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而且在世界上其他后來修建鐵路的地區(qū)大多數(shù)都采用了“鐵路時(shí)間”的標(biāo)準(zhǔn)。但你可能要問，這些與銫原子有什么關(guān)系？答案是只要你有一個(gè)遠(yuǎn)程操控的網(wǎng)絡(luò)，計(jì)時(shí)的精確對(duì)于時(shí)間的同步是至關(guān)重要的。而且所需要的傳輸速度越快，計(jì)時(shí)的精確度就越重要。因此在現(xiàn)代社會(huì)，信息以近乎光速的速度在線路中或者空中傳播，計(jì)時(shí)精確度就更加重要。而銫原子的作用是大幅度改進(jìn)了時(shí)間計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。最近我去了一趟英國(guó)精確計(jì)時(shí)技術(shù)的故鄉(xiāng)。并不是格林尼治，而是位于倫敦郊區(qū)特丁頓（Teddington）的英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（National Physical Laboratory）。在一個(gè)高級(jí)工業(yè)園區(qū)里立著一些辦公大樓，墻壁上的玻璃閃閃發(fā)光。就是在這些大樓里，科學(xué)家們正在進(jìn)行前無古人的科學(xué)探索。1930年正是在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)家Louis Essen制作出了世界上第一個(gè)石英鬧鐘，它的精度在當(dāng)時(shí)是最高的，同時(shí)也預(yù)示著銫原子鐘的到來。石英鐘利用了一個(gè)原理：如果對(duì)石英晶體通電，石英晶體會(huì)以極高的頻率振動(dòng)。這種頻率叫作共振頻率，地球上每個(gè)物體都有其共振頻率。據(jù)說當(dāng)一個(gè)女高音唱到她的最高音時(shí)，那個(gè)聲音能讓一個(gè)香檳杯碎掉，這就是因?yàn)槁曇暨_(dá)到了杯子的共振頻率。這也就是1831年蘭卡夏郡Broughton的吊橋倒塌的原因。軍隊(duì)在橋上走過時(shí)，行進(jìn)步子的頻率無意中達(dá)到了吊橋的共振頻率，使得吊橋發(fā)生劇烈震動(dòng)，造成螺絲斷裂橋體倒塌。自那以后，軍隊(duì)會(huì)警告他們的士兵在經(jīng)過吊橋時(shí)要打亂腳步。

接下來：一個(gè)香檳杯的共振頻率

　　為了理解這種共振現(xiàn)象如何幫助計(jì)時(shí)，想想落地大擺鐘的鐘擺。鐘擺每擺動(dòng)一次，鐘就過去一秒。石英的作用就相當(dāng)于鐘擺，只是振動(dòng)比鐘擺快得多：它的共振頻率比“秒”的振動(dòng)頻率快數(shù)千倍。而這就是人們?yōu)槭裁葱枰C原子的原因。銫原子的共振頻率比石英還高很多倍，準(zhǔn)確點(diǎn)來講是9192631770赫茲。這是Essen選擇它來制作第一臺(tái)新型鐘（即原子鐘）的一方面原因。Essen制造的石英鐘在三年內(nèi)僅僅偏差了一秒。而他在1955年于英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室制造的第一臺(tái)原子鐘精度達(dá)到了一百四十萬年偏差一秒。但為什么選擇銫原子呢？

 Louis Essen（右）在1955年造出了世界上第一臺(tái)銫共振器

　　在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)科研室，倫敦大學(xué)學(xué)院的化學(xué)教授Andrea Sella向我展示了一個(gè)錫皮盒。他打開盒子拿出了一團(tuán)布料。布料中包著一個(gè)玻璃瓶，瓶子里充滿了一種銀金色的金屬。他用手握著玻璃瓶，金屬慢慢融化成了液體。當(dāng)我拿過玻璃瓶時(shí)，他警告我：“不要把瓶子摔掉了！”他解釋說之所以需要這樣嚴(yán)密的防護(hù)是因?yàn)殇C是一種堿金屬，銫在元素周期表第一列。銫的化學(xué)性質(zhì)很活潑，甚至超過鈉和鉀。他警告說：“銫一旦沾水就會(huì)釋放出氫氣，發(fā)出一聲巨響，因?yàn)闅錃鈺?huì)發(fā)生爆炸?！痹谥芷诒淼谝涣姓f明銫原子的最外層有一個(gè)單電子。這就是為什么銫的化學(xué)性質(zhì)這么活潑，也正是這個(gè)單電子的運(yùn)動(dòng)行為引起了Essen的興趣。

銫：一些關(guān)鍵事實(shí)

 　　1860年由德國(guó)科學(xué)家羅伯特·本生和古斯塔夫·基爾霍夫發(fā)現(xiàn)。一種帶有金色的銀色金屬，是所有金屬中化學(xué)性質(zhì)最活潑的，最質(zhì)軟的。熔點(diǎn)28.4攝氏度，意味著在稍高于室溫的溫度中就會(huì)呈現(xiàn)出液態(tài)。遇水會(huì)劇烈反應(yīng)，遇空氣也會(huì)自發(fā)反應(yīng)。儲(chǔ)量約為鉛的一半，為銀的70倍。(資料來源：《不列顛百科全書》)

　　科學(xué)家?guī)襾淼接?guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室建筑樓群中很深的一個(gè)房間，房間的門用一種高級(jí)電子鎖保護(hù)著，這里存放著科學(xué)家用來為英國(guó)制定計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器。這個(gè)機(jī)器叫作“銫噴泉鐘”（caesium fountain），在這里我還遇到了噴泉鐘的保管人Krzyszt of Szymaniec。不要把這里的“噴泉”想象成宮殿花園里的噴泉。它就像一個(gè)家用熱水箱，它用不銹鋼制成，外面纏著各種電線，底部還裝有其他一些機(jī)件。雖然看起來不漂亮，但這是地球上最精確的鐘之一。

 　　Szymaniec解釋了銫噴泉鐘的工作原理，它用一束激光使若干銫原子緊緊地聚合在一起，銫原子的振動(dòng)幾乎停止，溫度僅比絕對(duì)零度高一點(diǎn)點(diǎn)。另外再用激光讓這堆原子進(jìn)入機(jī)器的箱子中，原子在重力的作用下墜落，因此被稱為“噴泉”。

　　接下來就將一束微波輻射的頻率調(diào)到銫原子的共振頻率。就像香檳杯和吊橋一樣，當(dāng)頻率恰好達(dá)到某個(gè)頻率值時(shí)，銫原子被激發(fā)，引起最外層的單電子進(jìn)入更外層的軌道。這種現(xiàn)象叫作一次“躍遷”。

 　　單電子在進(jìn)入外層軌道時(shí)吸收能量，當(dāng)它回到原軌道時(shí)會(huì)以光的形式釋放所吸收的能量，同時(shí)發(fā)出輕微的熒光。這意味著你可以判斷出何時(shí)達(dá)到了9192631770赫茲的頻率。正是因?yàn)檫@個(gè)躍遷頻率比石英的共振頻率高出很多，銫原子鐘的精度大大超過石英鐘。Szymaniec自豪地告訴我，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的銫噴泉鐘精度達(dá)到了每1.58億年偏差一秒。這就是說，假如這座鐘從恐龍奔跑翼龍飛行的侏羅紀(jì)中期開始計(jì)時(shí)，到現(xiàn)在它僅僅偏差了一秒。令人震驚的是，根據(jù)現(xiàn)代科技的發(fā)展程度，造出比銫噴泉鐘更加精確的鐘并不是夢(mèng)想。這是因?yàn)閷?duì)于計(jì)時(shí)技術(shù)，銫原子實(shí)際上只是一個(gè)經(jīng)過妥協(xié)的選擇。Szymaniec解釋說，Louis Essen之所以選擇銫原子，是因?yàn)殇C原子的躍遷頻率是那個(gè)年代的技術(shù)所能測(cè)量出的極限頻率。如今我們有了新的測(cè)量時(shí)間的方法。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在試驗(yàn)元素鍶和鐿。這兩種元素的原子頻率更高，頻率已經(jīng)超出了微波譜的范圍而到達(dá)光譜。

如圖中所示的鐘，鍶原子或鐿原子光鐘甚至比銫原子鐘更精確

　　以鍶原子為例，它的躍遷頻率為444779044095486.71赫茲。美國(guó)開發(fā)的鍶原子鐘如果從地球存在時(shí)開始計(jì)時(shí)，到現(xiàn)在的偏差僅為一秒，精度達(dá)到約五十億年偏差一秒。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家預(yù)計(jì)人類已經(jīng)有能力造出精度達(dá)到一百四十億年偏差一秒的光鐘，而宇宙自誕生到現(xiàn)在還不到一百四十億年。如果你覺得這種高得變態(tài)的精確度似乎無意義，那么再細(xì)想一下，以衛(wèi)星導(dǎo)航為例，如果沒有銫原子鐘，衛(wèi)星導(dǎo)航就是不可能的事。GPS衛(wèi)星中攜帶一些同步的銫原子鐘，這些鐘合起來就能利用衛(wèi)星基本三角定位原理確定你在地球上的位置。而且這僅僅是實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的一方面。Leon Lobo是英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)授時(shí)的人，他的工作是把準(zhǔn)確的時(shí)間傳到全英國(guó)。當(dāng)然這項(xiàng)服務(wù)是收費(fèi)的。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室最近開始了一項(xiàng)新的服務(wù)，為商業(yè)活動(dòng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)時(shí)服務(wù)，計(jì)時(shí)的精度達(dá)到一微秒——百萬分之一秒。Lobo有一大批目標(biāo)客戶，他們都有一項(xiàng)共同的需求，就是他們需要保證一個(gè)運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于火車的網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間上同步。以電網(wǎng)為例。隨著風(fēng)能和太陽能的應(yīng)用越來越廣泛，而風(fēng)與云的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的暫停從而影響到電能，電網(wǎng)就需要對(duì)電能的這種變化進(jìn)行精確計(jì)時(shí)。如果計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)出現(xiàn)停電故障。Lobo最大的目標(biāo)客戶是金融市場(chǎng)。如今在全球人們都用電腦進(jìn)行交易，每秒鐘就完成數(shù)千筆交易，信息在電線中的傳輸速度近乎光速。在現(xiàn)代社會(huì)，一次火車事故就相當(dāng)于一次不合時(shí)宜的賭注，導(dǎo)致數(shù)百萬美元的損失，同時(shí)還可能輕易讓市場(chǎng)崩垮。自然地，金融管理者越發(fā)需要一個(gè)具有高精度的時(shí)間戳來保證每筆交易的準(zhǔn)確性。但是銫原子鐘的精確性曾經(jīng)讓全球的計(jì)時(shí)系統(tǒng)發(fā)生過一次大變動(dòng)。究其原因，我們需要將視線拉回1967年。那一年，科學(xué)界基于銫原子的躍遷修改了國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”的官方定義。是的，銫原子重新定義了時(shí)間。

 
“秒”的定義

　　銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。這是一次重大的改變。在那之前，人類定義時(shí)間（甚至是鐵路時(shí)間）的根據(jù)都是與地球相關(guān)的太陽的運(yùn)動(dòng)。而現(xiàn)在一切改變了。時(shí)間的定義依據(jù)不再是太陽，替代它的是銫原子。但是科學(xué)家好奇再過多久銫原子又會(huì)被鍶原子或鐿原子代替。將時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)改為原子時(shí)是有道理的。因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)根據(jù)地球自轉(zhuǎn)計(jì)量時(shí)間并不是一個(gè)可靠的選擇。每一天、每一年的長(zhǎng)度都不是恒定不變的。首先，地球的轉(zhuǎn)動(dòng)正逐漸變慢，因此日平均長(zhǎng)度正一天天以緩慢的速度增加。然后還需要考慮海潮、版塊漂移以及地幔對(duì)流等因素，這些都導(dǎo)致以地球轉(zhuǎn)動(dòng)為依據(jù)的時(shí)間出現(xiàn)略微的不穩(wěn)定。這對(duì)于Felicitas Arias很重要，她的工作是保證全世界計(jì)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定。她是位于巴黎的國(guó)際計(jì)量局（BIPM）的計(jì)時(shí)部門主任，國(guó)際計(jì)量局負(fù)責(zé)確保全球各時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)的一致性，以及對(duì)現(xiàn)有的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)”進(jìn)行修改。當(dāng)1960年人們首次使用“世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)”時(shí)（比全球定位系統(tǒng)的使用還早很多），“世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)”給還在用鐘來確定他們?cè)诖蠛Ｉ系慕?jīng)度的航海人員帶來一個(gè)潛在的問題。

雜志上的更多趣聞

 　　“第一個(gè)改進(jìn)了計(jì)時(shí)工具的精度的人其出發(fā)點(diǎn)不只是學(xué)術(shù)興趣。十七世紀(jì)末期，鐘表設(shè)計(jì)研究是國(guó)家安全不可分割的一部分。導(dǎo)航技術(shù)和測(cè)繪技術(shù)對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)中的成功指揮至關(guān)重要，在這段時(shí)期，英國(guó)與法國(guó)和荷蘭打了幾次戰(zhàn)爭(zhēng)。

 　　Lisa Jardine：科學(xué)家是如何造出世界上第一個(gè)智能手表的？科學(xué)家仍舊使用了John Harrison（英國(guó)另一位計(jì)時(shí)技術(shù)先驅(qū)）在1761年制造超精度鐘時(shí)應(yīng)用的系統(tǒng)。他們把一個(gè)特定地點(diǎn)的太陽或星星的位置與另一個(gè)地點(diǎn)（通常是格林尼治）時(shí)鐘上的時(shí)間作比較。每差四分鐘代表向西或向東差一經(jīng)度。但是科學(xué)家為了確保繼續(xù)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，堅(jiān)持使“世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)”與地球不穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)保持同步。這表示有時(shí)需要加入一個(gè)“閏秒”，Arias的工作就是確定什么時(shí)候加入這個(gè)“閏秒”。Arias告訴我：“以前有很長(zhǎng)一段時(shí)間每?jī)赡晏砑右婚c秒，然后有七年時(shí)間沒加。再后來就改成了每?jī)赡臧胩砑右婚c秒。”但是每次加入一閏秒時(shí)，全世界所有的原子鐘都需要調(diào)整。我們大多人意識(shí)不到每幾年改動(dòng)一兩秒的影響，但是計(jì)算機(jī)不是 這樣。它們可能在一瞬間自動(dòng)關(guān)閉，這顯然使它們易受到黑客攻擊?；蛘呤ネ叫?，從而導(dǎo)致電車事故。雖然這類故障未曾發(fā)生過，但Arias相信如果發(fā)生，后果將使災(zāi)難性的。她警告說：“如果金融系統(tǒng)中出現(xiàn)一秒的錯(cuò)誤，就可能引發(fā)金融業(yè)地震。”想到金融業(yè)損失數(shù)百萬美元的交易可能不會(huì)讓你恐懼，但Arias擔(dān)心如果銫原子時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，那些與銫原子時(shí)保持同步的發(fā)電站、手機(jī)系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)發(fā)生崩潰。

時(shí)間就是金錢，特別是紐約證券交易所里的金融交易

　　這就是為什么科學(xué)家要完全拋棄閏秒而純粹采用原子時(shí)。航海人員一直都在使用衛(wèi)星導(dǎo)航，所以這一改動(dòng)不會(huì)對(duì)他們有多大影響。但完全切斷時(shí)間與天體運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系會(huì)改變很多。因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)在減慢，因此你的手表上的時(shí)間將逐漸與太陽的起落產(chǎn)生偏差。Arias說：“我們預(yù)測(cè)這種偏差在一千年內(nèi)可以達(dá)到一小時(shí)?！绷钊梭@訝的是Arias在說到這時(shí)卻是很自然。她說我們大多數(shù)人已經(jīng)失去了與太陽時(shí)的同步。由于地球的軌道是橢圓形的，太陽時(shí)最大會(huì)與平均太陽時(shí)偏差十六分鐘。如果考慮時(shí)區(qū)的影響，時(shí)區(qū)把時(shí)間分成若干區(qū)域，偏差就更大了。以中國(guó)為例，中國(guó)東西相差五千公里，一個(gè)時(shí)區(qū)就相當(dāng)于一小時(shí)四十分太陽時(shí)。世界上有些國(guó)家為了節(jié)約日照每年調(diào)整兩次時(shí)間，這實(shí)際上夸大了問題。但是很多國(guó)家拒絕拋棄添加閏秒的方案。比如英國(guó)，幾世紀(jì)以來，格林尼治子午線一直是國(guó)際計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)，英國(guó)堅(jiān)持閏秒的影響并不大。也許這些國(guó)家的立場(chǎng)也是有道理的，因?yàn)闀r(shí)間的定義本就不太可靠。1971年科學(xué)家把三座銫原子鐘放在商業(yè)客機(jī)上繞地球飛行。等飛機(jī)回來后，科學(xué)家將三座原子鐘與存放在美國(guó)海軍天文臺(tái)的銫原子鐘進(jìn)行比較。

　　在科學(xué)家針對(duì)空中飛行對(duì)銫原子鐘的影響進(jìn)行科學(xué)測(cè)試的五年之前，這座原子鐘首先進(jìn)行了一次從倫敦到美國(guó)的飛行。需要將原子鐘插在一個(gè)電源插座上，然后用一根皮帶扎起來?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)經(jīng)過嚴(yán)密包扎的銫原子鐘時(shí)間略微變慢，而偏差的量正好與愛因斯坦的相對(duì)論所預(yù)測(cè)的相吻合。這就反過來證明了愛因斯坦假說的成立，即時(shí)間流逝的速度取決于物體在宇宙中的位置以及運(yùn)動(dòng)速度。今天，GPS衛(wèi)星上的原子鐘在調(diào)整時(shí)必須準(zhǔn)確考慮到相對(duì)論所產(chǎn)生的效應(yīng)。新一代超高精度光鐘可能會(huì)利用相對(duì)論繪出地球的重力場(chǎng)，方法是計(jì)算重力效應(yīng)導(dǎo)致的時(shí)間上的微小差別。可是慢著，想想這是多么諷刺。銫原子鐘恰好證明了想要精確計(jì)量時(shí)間是不可能的。