1秒鐘有多久?這個問題似乎不難回答。1天被分為24小時，每1小時被分為60分鐘，而每分鐘又被細分為60秒。所以，1秒就是1天時間的1/86400。但這種算法真的對么?其實，精確定義1秒鐘并不那么簡單。

　　“天文時間”

　　我們習(xí)慣將1秒鐘視為一個固定的時間增量，然而數(shù)百年來，這個生活中最常見的時間單位并不是一成不變的。

　　最初的古代，1秒鐘確實是基于1天的時長來計算的。當(dāng)時人們觀測天文現(xiàn)象，根據(jù)日月星辰等天體的周期性運動來設(shè)定1天的時間長度，然后再通過計算得出1秒鐘的概念。這樣的計時標(biāo)準(zhǔn)也就是所謂的“天文時間”。

　　比如，日晷計時系統(tǒng)就是最常見的“天文時間”。隨著地球的自轉(zhuǎn)，人們會觀察到太陽從天空掠過，于是開始利用日晷記錄太陽的運動——太陽光照在晷針上，將陰影投射在晷盤，當(dāng)太陽移動時，陰影所指示的時間也將跟著變動。人們利用日晷定義了1天的長度，這類裝置直接根據(jù)太陽在天空中的位置來計算時間，也被稱為“視太陽時”。

　　然而，“天文時間”存在一些缺陷。一個明顯的問題就是，如果今天看不到太陽，人們就無法利用日晷讀取時間。此外，“天文時間”與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系密切，地球自轉(zhuǎn)加快，則“天文時間”加快，地球自轉(zhuǎn)減慢，則“天文時間”減慢。由于地月之間的潮汐拖拽作用，地球自轉(zhuǎn)一直在趨于變慢。所以，人們敏銳地覺察到，“天文時間”所設(shè)定的1天的時長并不恒定，那么基于1天的時長而計算出的1秒鐘自然也不太可靠。

　　“機械時間”

　　16世紀(jì)，人們轉(zhuǎn)而求助于物理科學(xué)來改進計時系統(tǒng)。簡單來說，制作“計時器”的思路從根據(jù)太陽的位置計時，變成了制作一個具備周期性振蕩現(xiàn)象的振蕩器，并利用振蕩器穩(wěn)定的振蕩頻率來定義1秒鐘。

　　于是，人類社會的第一批機械鐘表——擺鐘開始問世。在地球的同一地點，擺鐘的鐘擺作微幅擺動的周期是一個確定的常數(shù)。要記錄1秒鐘的長度，人們只需設(shè)計特定頻率的擺鐘，使其振動的周期與“天文時間”中1秒鐘的均值相同即可。但擺鐘有兩個很嚴(yán)重的缺點：一是隨著晝夜、四季溫度的變化，鐘擺發(fā)生熱脹冷縮，致使擺長不穩(wěn)定;二是在地球的不同緯度、不同高度處，地球重力加速度有著微小的差別，這導(dǎo)致鐘表廠校準(zhǔn)的擺鐘在運到新的使用地點后往往會有些失準(zhǔn)。所以，接下來的數(shù)百年里，科學(xué)家利用彈簧、齒輪等元件，制作了更復(fù)雜也更精確的振蕩器。

　　到了20世紀(jì)40年代，石英晶體鐘成為了最好用的計時鐘表。人們發(fā)現(xiàn)，只要給一塊石英晶體施加適當(dāng)?shù)碾妷?，它就能以晶體的固有振蕩頻率產(chǎn)生機械振蕩，而晶體的固有振蕩頻率只取決于晶體的物理尺寸和晶格結(jié)構(gòu)，不受氣候、地點和季節(jié)的影響。人們只要精確控制石英晶體的尺寸和形狀，優(yōu)化設(shè)計石英的晶格結(jié)構(gòu)，就能非常精確地利用石英晶體的固有振蕩頻率來計時。

　“原子時間”

　　盡管石英晶體鐘的精確度對于普通應(yīng)用已經(jīng)足夠好了，但還是無法為高科技領(lǐng)域提供可靠的計時依據(jù)，比如互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、全球定位系統(tǒng)或基礎(chǔ)科學(xué)研究。原因在于，石英晶體的品質(zhì)參差不齊，其雜質(zhì)含量、晶格結(jié)構(gòu)和形態(tài)很難統(tǒng)一，那么不同石英晶體鐘的精確度會有差別。精度高的石英晶體鐘每秒誤差在10萬分之1秒以內(nèi)，精度低的石英晶體鐘每秒誤差則能達到1萬分之1秒——這種量級的誤差在平時無關(guān)緊要，但無法滿足高科技領(lǐng)域的需求。

　　所以，為了實現(xiàn)真正的精確，鐘表必須根據(jù)一些獨立、不變的參照標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)置。于是，20世紀(jì)50年代，科學(xué)家開始設(shè)計世界上最精確的計時系統(tǒng)——“原子時間”。

　　“原子時間”指的是以原子的“共振頻率”為基準(zhǔn)而得到的時間。根據(jù)原子物理學(xué)和量子力學(xué)理論，原子的能量是離散的，只能取特定的數(shù)值。當(dāng)原子在不同的能量狀態(tài)之間躍遷時只能吸收或釋放特定數(shù)值的能量，而這種恒定的能量差則對應(yīng)著特定頻率的電磁波。換句話說，原子可以吸收特定頻率的電磁波，從低能量狀態(tài)躍遷到高能量狀態(tài);或者，原子釋放特定頻率的電磁波，從高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)。這個特定頻率恒定不變，被稱為原子的“共振頻率”，人們便可以利用“共振頻率”作為計時參照。比如，國際通用的銫原子鐘所使用的銫同位素——銫133的“共振頻率”是9192631770赫茲，也就是每秒振動9192631770次，所以銫原子鐘就是以計數(shù)器記錄振動9192631770次作為1秒——每秒的誤差只有1千萬億分之1秒。

　　1967年，世界各國的科學(xué)家一致同意以“原子時間”重新定義1秒的長度。從那時起，在國際單位制中，1秒鐘的定義是：銫133原子發(fā)生9192631770次能量振蕩所持續(xù)的時間。為了與精確的“原子時間”保持一致，“天文時間”一直在發(fā)生變化。每隔幾年，科學(xué)家必須為“1天文秒”增加1閏秒，從而彌補地球自轉(zhuǎn)變慢所導(dǎo)致的“天文時間”與“原子時間”之間的誤差。

　　對這個精確到千萬億分之一秒的定義，科學(xué)家仍不滿足，他們還在研究更加精確的原子鐘，比如鍶原子鐘和鐿原子鐘。2020年，美國科學(xué)家就利用量子糾纏研制出了目前世界上精確度最高的鐿原子鐘。由于鐿原子的“共振頻率”原本就比銫原子的高10萬倍，而科學(xué)家又利用量子糾纏進一步提升了鐿原子的“共振頻率”，使得鐿原子鐘的精確度達到了極限——140億年內(nèi)誤差不超0.1秒。

　　顯而易見，科學(xué)家仍然不會停止探索的步伐，在未來，1秒的精確定義很可能還會繼續(xù)更改。