作為一個化學(xué)元素，銫實際上已經(jīng)重新對時間進行了定義。

　　自小時候到現(xiàn)在，在各種場合你都被告知準時很重要?，F(xiàn)在，有了銫原子，全世界各個地方的時間都能保持準確，準確到讓我們感到需要重新思考時間是什么。而且我們發(fā)現(xiàn)計時技術(shù)中存在一個奇怪的缺陷。事實上是在近些年來人們才意識到準確及時的重要性。并不是我們的祖先不需要知道時間，他們當然需要。幾千年來，人類制造出多種多樣精致的儀器來衡量時間的流逝。 但事實是直到175年前，在那之前的幾千年里，人們對于時間的定義來源都是太陽。不管走到哪里，你總能認出什么時候是正午。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。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)度差所需要的時間。計時系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤導(dǎo)致的將不只是乘客會誤車。由于計時偏差導(dǎo)致的危險事件甚至火車事故越來越多。1840年11月，英國西部鐵路公司（Great Western Railway）解決了這一問題，他們使用了一個叫“鐵路時間”（Railway Time）的計時系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)所有城市的時間都是倫敦時間，這是第一次人們根據(jù)一個標準將不同地點的時間同步起來。此舉引起了很大爭議。突然間，皇家格林尼治天文臺（Royal Observatory）就可以從遙遠的格林尼治控制你的時間系統(tǒng)。埃克賽特大學(xué)的校長拒絕將學(xué)校大教堂的時鐘調(diào)整至英國西部鐵路公司所要求的時間。布里斯托采用了一個折中的方案：時鐘上有兩個分針，一個顯示當?shù)貢r間，一個顯示“鐵路時間”。

這座鐘位于布里斯托，鐘上仍舊有兩根分針，兩者表示的時間相差十分鐘

　　然而“鐵路時間”逐漸成為了英國很多地方的時間標準，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“鐵路時間”的標準。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遠程操控的網(wǎng)絡(luò)，計時的精確對于時間的同步是至關(guān)重要的。而且所需要的傳輸速度越快，計時的精確度就越重要。因此在現(xiàn)代社會，信息以近乎光速的速度在線路中或者空中傳播，計時精確度就更加重要。而銫原子的作用是大幅度改進了時間計量的標準。最近我去了一趟英國精確計時技術(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）的英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory）。在一個高級工業(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)家們正在進行前無古人的科學(xué)探索。1930年正是在英國國家物理實驗室，物理學(xué)家Louis Essen制作出了世界上第一個石英鬧鐘，它的精度在當時是最高的，同時也預(yù)示著銫原子鐘的到來。石英鐘利用了一個原理：如果對石英晶體通電，石英晶體會以極高的頻率振動。這種頻率叫作共振頻率，地球上每個物體都有其共振頻率。據(jù)說當一個女高音唱到她的最高音時，那個聲音能讓一個香檳杯碎掉，這就是因為聲音達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。軍隊在橋上走過時，行進步子的頻率無意中達到了吊橋的共振頻率，使得吊橋發(fā)生劇烈震動，造成螺絲斷裂橋體倒塌。自那以后，軍隊會警告他們的士兵在經(jīng)過吊橋時要打亂腳步。

接下來：一個香檳杯的共振頻率

　　為了理解這種共振現(xiàn)象如何幫助計時，想想落地大擺鐘的鐘擺。鐘擺每擺動一次，鐘就過去一秒。石英的作用就相當于鐘擺，只是振動比鐘擺快得多：它的共振頻率比“秒”的振動頻率快數(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，準確點來講是9192631770赫茲。這是Essen選擇它來制作第一臺新型鐘（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年于英國國家物理實驗室制造的第一臺原子鐘精度達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銫共振器

　　在英國國家物理實驗室的一個科研室，倫敦大學(xué)學(xué)院的化學(xué)教授Andrea Sella向我展示了一個錫皮盒。他打開盒子拿出了一團布料。布料中包著一個玻璃瓶，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。當我拿過玻璃瓶時，他警告我：“不要把瓶子摔掉了！”他解釋說之所以需要這樣嚴密的防護是因為銫是一種堿金屬，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：“銫一旦沾水就會釋放出氫氣，發(fā)出一聲巨響，因為氫氣會發(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，也正是這個單電子的運動行為引起了Essen的興趣。

銫：一些關(guān)鍵事實

 　　1860年由德國科學(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28.4攝氏度，意味著在稍高于室溫的溫度中就會呈現(xiàn)出液態(tài)。遇水會劇烈反應(yīng)，遇空氣也會自發(fā)反應(yīng)。儲量約為鉛的一半，為銀的70倍。(資料來源：《不列顛百科全書》)

　　科學(xué)家?guī)襾淼接鴩椅锢韺嶒炇医ㄖ侨褐泻苌畹囊粋€房間，房間的門用一種高級電子鎖保護著，這里存放著科學(xué)家用來為英國制定計時標準的機器。這個機器叫作“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，銫原子的振動幾乎停止，溫度僅比絕對零度高一點點。另外再用激光讓這堆原子進入機器的箱子中，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，當頻率恰好達到某個頻率值時，銫原子被激發(fā)，引起最外層的單電子進入更外層的軌道。這種現(xiàn)象叫作一次“躍遷”。

 　　單電子在進入外層軌道時吸收能量，當它回到原軌道時會以光的形式釋放所吸收的能量，同時發(fā)出輕微的熒光。這意味著你可以判斷出何時達到了9192631770赫茲的頻率。正是因為這個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，英國國家物理實驗室的銫噴泉鐘精度達到了每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中期開始計時，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想。這是因為對于計時技術(shù)，銫原子實際上只是一個經(jīng)過妥協(xié)的選擇。Szymaniec解釋說，Louis Essen之所以選擇銫原子，是因為銫原子的躍遷頻率是那個年代的技術(shù)所能測量出的極限頻率。如今我們有了新的測量時間的方法。英國國家物理實驗室的科學(xué)家正在試驗元素鍶和鐿。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。美國開發(fā)的鍶原子鐘如果從地球存在時開始計時，到現(xiàn)在的偏差僅為一秒，精度達到約五十億年偏差一秒。英國國家物理實驗室的科學(xué)家預(yù)計人類已經(jīng)有能力造出精度達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。而且這僅僅是實際應(yīng)用領(lǐng)域的一方面。Leon Lobo是英國國家物理實驗室負責(zé)授時的人，他的工作是把準確的時間傳到全英國。當然這項服務(wù)是收費的。英國國家物理實驗室最近開始了一項新的服務(wù)，為商業(yè)活動提供標準化的計時服務(wù)，計時的精度達到一微秒——百萬分之一秒。Lobo有一大批目標客戶，他們都有一項共同的需求，就是他們需要保證一個運行速度遠高于火車的網(wǎng)絡(luò)在時間上同步。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)與云的運動可能會出現(xiàn)不可預(yù)測的暫停從而影響到電能，電網(wǎng)就需要對電能的這種變化進行精確計時。如果計時出現(xiàn)錯誤，就會出現(xiàn)停電故障。Lobo最大的目標客戶是金融市場。如今在全球人們都用電腦進行交易，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，一次火車事故就相當于一次不合時宜的賭注，導(dǎo)致數(shù)百萬美元的損失，同時還可能輕易讓市場崩垮。自然地，金融管理者越發(fā)需要一個具有高精度的時間戳來保證每筆交易的準確性。但是銫原子鐘的精確性曾經(jīng)讓全球的計時系統(tǒng)發(fā)生過一次大變動。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際時間標準“秒”的官方定義。是的，銫原子重新定義了時間。

 
“秒”的定義

　　銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷對應(yīng)輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間。這是一次重大的改變。在那之前，人類定義時間（甚至是鐵路時間）的根據(jù)都是與地球相關(guān)的太陽的運動。而現(xiàn)在一切改變了。時間的定義依據(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被鍶原子或鐿原子代替。將時間標準改為原子時是有道理的。因為科學(xué)家發(fā)現(xiàn)根據(jù)地球自轉(zhuǎn)計量時間并不是一個可靠的選擇。每一天、每一年的長度都不是恒定不變的。首先，地球的轉(zhuǎn)動正逐漸變慢，因此日平均長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流等因素，這些都導(dǎo)致以地球轉(zhuǎn)動為依據(jù)的時間出現(xiàn)略微的不穩(wěn)定。這對于Felicitas Arias很重要，她的工作是保證全世界計時系統(tǒng)的穩(wěn)定。她是位于巴黎的國際計量局（BIPM）的計時部門主任，國際計量局負責(zé)確保全球各時間計量系統(tǒng)的一致性，以及對現(xiàn)有的時間標準“世界標準時”進行修改。當1960年人們首次使用“世界標準時”時（比全球定位系統(tǒng)的使用還早很多），“世界標準時”給還在用鐘來確定他們在大海上的經(jīng)度的航海人員帶來一個潛在的問題。

雜志上的更多趣聞

 　　“第一個改進了計時工具的精度的人其出發(fā)點不只是學(xué)術(shù)興趣。十七世紀末期，鐘表設(shè)計研究是國家安全不可分割的一部分。導(dǎo)航技術(shù)和測繪技術(shù)對于戰(zhàn)爭中的成功指揮至關(guān)重要，在這段時期，英國與法國和荷蘭打了幾次戰(zhàn)爭。

 　　Lisa Jardine：科學(xué)家是如何造出世界上第一個智能手表的？科學(xué)家仍舊使用了John Harrison（英國另一位計時技術(shù)先驅(qū)）在1761年制造超精度鐘時應(yīng)用的系統(tǒng)。他們把一個特定地點的太陽或星星的位置與另一個地點（通常是格林尼治）時鐘上的時間作比較。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)用這項技術(shù)，堅持使“世界標準時”與地球不穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)保持同步。這表示有時需要加入一個“閏秒”，Arias的工作就是確定什么時候加入這個“閏秒”。Arias告訴我：“以前有很長一段時間每兩年添加一閏秒，然后有七年時間沒加。再后來就改成了每兩年半添加一閏秒?！钡敲看渭尤胍婚c秒時，全世界所有的原子鐘都需要調(diào)整。我們大多人意識不到每幾年改動一兩秒的影響，但是計算機不是 這樣。它們可能在一瞬間自動關(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)一秒的錯誤，就可能引發(fā)金融業(yè)地震?！毕氲浇鹑跇I(yè)損失數(shù)百萬美元的交易可能不會讓你恐懼，但Arias擔(dān)心如果銫原子時出現(xiàn)錯誤，那些與銫原子時保持同步的發(fā)電站、手機系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)會發(fā)生崩潰。

時間就是金錢，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。航海人員一直都在使用衛(wèi)星導(dǎo)航，所以這一改動不會對他們有多大影響。但完全切斷時間與天體運動的聯(lián)系會改變很多。因為地球的自轉(zhuǎn)在減慢，因此你的手表上的時間將逐漸與太陽的起落產(chǎn)生偏差。Arias說：“我們預(yù)測這種偏差在一千年內(nèi)可以達到一小時。”令人驚訝的是Arias在說到這時卻是很自然。她說我們大多數(shù)人已經(jīng)失去了與太陽時的同步。由于地球的軌道是橢圓形的，太陽時最大會與平均太陽時偏差十六分鐘。如果考慮時區(qū)的影響，時區(qū)把時間分成若干區(qū)域，偏差就更大了。以中國為例，中國東西相差五千公里，一個時區(qū)就相當于一小時四十分太陽時。世界上有些國家為了節(jié)約日照每年調(diào)整兩次時間，這實際上夸大了問題。但是很多國家拒絕拋棄添加閏秒的方案。比如英國，幾世紀以來，格林尼治子午線一直是國際計時的基準，英國堅持閏秒的影響并不大。也許這些國家的立場也是有道理的，因為時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)客機上繞地球飛行。等飛機回來后，科學(xué)家將三座原子鐘與存放在美國海軍天文臺的銫原子鐘進行比較。

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