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

　　自小時(shí)候到現在，在各種場(chǎng)合你都被告知準時(shí)很重要?，F在，有了銫原子，全世界各個(gè)地方的時(shí)間都能保持準確，準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)現計時(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(lái)人們才意識到準確及時(shí)的重要性。并不是我們的祖先不需要知道時(shí)間，他們當然需要。幾千年來(lái)，人類(lèi)制造出多種多樣精致的儀器來(lái)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，人們對于時(shí)間的定義來(lái)源都是太陽(yáng)。不管走到哪里，你總能認出什么時(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(zhù)世界上第一條鐵路線(xiàn)的開(kāi)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(gè)精確的值，它是陽(yáng)光走過(guò)兩座城市之間的經(jīng)度差所需要的時(shí)間。計時(shí)系統出現錯誤導致的將不只是乘客會(huì )誤車(chē)。由于計時(shí)偏差導致的危險事件甚至火車(chē)事故越來(lái)越多。1840年11月，英國西部鐵路公司（Great Western Railway）解決了這一問(wèn)題，他們使用了一個(gè)叫“鐵路時(shí)間”（Railway Time）的計時(shí)系統。系統內所有城市的時(shí)間都是倫敦時(shí)間，這是第一次人們根據一個(gè)標準將不同地點(diǎn)的時(shí)間同步起來(lái)。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(shí)間系統。?？速愄卮髮W(xué)的校長(cháng)拒絕將學(xué)校大教堂的時(shí)鐘調整至英國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)顯示當地時(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”逐漸成為了英國很多地方的時(shí)間標準，而且在世界上其他后來(lái)修建鐵路的地區大多數都采用了“鐵路時(shí)間”的標準。但你可能要問(wèn)，這些與銫原子有什么關(guān)系？答案是只要你有一個(gè)遠程操控的網(wǎng)絡(luò )，計時(shí)的精確對于時(shí)間的同步是至關(guān)重要的。而且所需要的傳輸速度越快，計時(shí)的精確度就越重要。因此在現代社會(huì )，信息以近乎光速的速度在線(xiàn)路中或者空中傳播，計時(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)間計量的標準。最近我去了一趟英國精確計時(shí)技術(shù)的故鄉。并不是格林尼治，而是位于倫敦郊區特丁頓（Teddington）的英國國家物理實(shí)驗室（National Physical Laboratory）。在一個(gè)高級工業(yè)園區里立著(zhù)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(wú)古人的科學(xué)探索。1930年正是在英國國家物理實(shí)驗室，物理學(xué)家Louis Essen制作出了世界上第一個(gè)石英鬧鐘，它的精度在當時(shí)是最高的，同時(shí)也預示著(zhù)銫原子鐘的到來(lái)。石英鐘利用了一個(gè)原理：如果對石英晶體通電，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。據說(shuō)當一個(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(guò)時(shí)，行進(jìn)步子的頻率無(wú)意中達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，軍隊會(huì )警告他們的士兵在經(jīng)過(guò)吊橋時(shí)要打亂腳步。

接下來(lái)：一個(gè)香檳杯的共振頻率

　　為了理解這種共振現象如何幫助計時(shí)，想想落地大擺鐘的鐘擺。鐘擺每擺動(dòng)一次，鐘就過(guò)去一秒。石英的作用就相當于鐘擺，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(diǎn)來(lái)講是9192631770赫茲。這是Essen選擇它來(lái)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僅僅偏差了一秒。而他在1955年于英國國家物理實(shí)驗室制造的第一臺原子鐘精度達到了一百四十萬(wàn)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(shí)驗室的一個(gè)科研室，倫敦大學(xué)學(xué)院的化學(xué)教授A(yíng)ndrea Sella向我展示了一個(gè)錫皮盒。他打開(kāi)盒子拿出了一團布料。布料中包著(zhù)一個(gè)玻璃瓶，瓶子里充滿(mǎn)了一種銀金色的金屬。他用手握著(zhù)玻璃瓶，金屬慢慢融化成了液體。當我拿過(guò)玻璃瓶時(shí)，他警告我：“不要把瓶子摔掉了！”他解釋說(shuō)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(guò)鈉和鉀。他警告說(shuō)：“銫一旦沾水就會(huì )釋放出氫氣，發(fā)出一聲巨響，因為氫氣會(huì )發(fā)生爆炸?！痹谥芷诒淼谝涣姓f(shuō)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年由德國科學(xué)家羅伯特·本生和古斯塔夫·基爾霍夫發(fā)現。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(zhù)在稍高于室溫的溫度中就會(huì )呈現出液態(tài)。遇水會(huì )劇烈反應，遇空氣也會(huì )自發(fā)反應。儲量約為鉛的一半，為銀的70倍。(資料來(lái)源：《不列顛百科全書(shū)》)

　　科學(xué)家帶我來(lái)到英國國家物理實(shí)驗室建筑樓群中很深的一個(gè)房間，房間的門(mén)用一種高級電子鎖保護著(zhù)，這里存放著(zhù)科學(xué)家用來(lái)為英國制定計時(shí)標準的機器。這個(gè)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(gè)家用熱水箱，它用不銹鋼制成，外面纏著(zhù)各種電線(xiàn)，底部還裝有其他一些機件。雖然看起來(lái)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，溫度僅比絕對零度高一點(diǎn)點(diǎn)。另外再用激光讓這堆原子進(jìn)入機器的箱子中，原子在重力的作用下墜落，因此被稱(chēng)為“噴泉”。

　　接下來(lái)就將一束微波輻射的頻率調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(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(zhù)你可以判斷出何時(shí)達到了9192631770赫茲的頻率。正是因為這個(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(guò)石英鐘。Szymaniec自豪地告訴我，英國國家物理實(shí)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(shuō)，假如這座鐘從恐龍奔跑翼龍飛行的侏羅紀中期開(kāi)始計時(shí)，到現在它僅僅偏差了一秒。令人震驚的是，根據現代科技的發(fā)展程度，造出比銫噴泉鐘更加精確的鐘并不是夢(mèng)想。這是因為對于計時(shí)技術(shù)，銫原子實(shí)際上只是一個(gè)經(jīng)過(guò)妥協(xié)的選擇。Szymaniec解釋說(shuō)，Louis Essen之所以選擇銫原子，是因為銫原子的躍遷頻率是那個(gè)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(shí)間的方法。英國國家物理實(shí)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(kāi)發(fā)的鍶原子鐘如果從地球存在時(shí)開(kāi)始計時(shí)，到現在的偏差僅為一秒，精度達到約五十億年偏差一秒。英國國家物理實(shí)驗室的科學(xué)家預計人類(lèi)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，而宇宙自誕生到現在還不到一百四十億年。如果你覺(jué)得這種高得變態(tài)的精確度似乎無(wú)意義，那么再細想一下，以衛星導航為例，如果沒(méi)有銫原子鐘，衛星導航就是不可能的事。GPS衛星中攜帶一些同步的銫原子鐘，這些鐘合起來(lái)就能利用衛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)際應用領(lǐng)域的一方面。Leon Lobo是英國國家物理實(shí)驗室負責授時(shí)的人，他的工作是把準確的時(shí)間傳到全英國。當然這項服務(wù)是收費的。英國國家物理實(shí)驗室最近開(kāi)始了一項新的服務(wù)，為商業(yè)活動(dòng)提供標準化的計時(shí)服務(wù)，計時(shí)的精度達到一微秒——百萬(wàn)分之一秒。Lobo有一大批目標客戶(hù)，他們都有一項共同的需求，就是他們需要保證一個(gè)運行速度遠高于火車(chē)的網(wǎng)絡(luò )在時(shí)間上同步。以電網(wǎng)為例。隨著(zhù)風(fēng)能和太陽(yáng)能的應用越來(lái)越廣泛，而風(fēng)與云的運動(dòng)可能會(huì )出現不可預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(jìn)行精確計時(shí)。如果計時(shí)出現錯誤，就會(huì )出現停電故障。Lobo最大的目標客戶(hù)是金融市場(chǎng)。如今在全球人們都用電腦進(jìn)行交易，每秒鐘就完成數千筆交易，信息在電線(xiàn)中的傳輸速度近乎光速。在現代社會(huì )，一次火車(chē)事故就相當于一次不合時(shí)宜的賭注，導致數百萬(wàn)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(lái)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(shí)系統發(fā)生過(guò)一次大變動(dòng)。究其原因，我們需要將視線(xiàn)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(shí)間標準“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)超精細能級間躍遷對應輻射的9192631770個(gè)周期的持續時(shí)間。這是一次重大的改變。在那之前，人類(lèi)定義時(shí)間（甚至是鐵路時(shí)間）的根據都是與地球相關(guān)的太陽(yáng)的運動(dòng)。而現在一切改變了。時(shí)間的定義依據不再是太陽(yáng)，替代它的是銫原子。但是科學(xué)家好奇再過(guò)多久銫原子又會(huì )被鍶原子或鐿原子代替。將時(shí)間標準改為原子時(shí)是有道理的。因為科學(xué)家發(fā)現根據地球自轉計量時(shí)間并不是一個(gè)可靠的選擇。每一天、每一年的長(cháng)度都不是恒定不變的。首先，地球的轉動(dòng)正逐漸變慢，因此日平均長(cháng)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，這些都導致以地球轉動(dòng)為依據的時(shí)間出現略微的不穩定。這對于Felicitas Arias很重要，她的工作是保證全世界計時(shí)系統的穩定。她是位于巴黎的國際計量局（BIPM）的計時(shí)部門(mén)主任，國際計量局負責確保全球各時(shí)間計量系統的一致性，以及對現有的時(shí)間標準“世界標準時(shí)”進(jìn)行修改。當1960年人們首次使用“世界標準時(shí)”時(shí)（比全球定位系統的使用還早很多），“世界標準時(shí)”給還在用鐘來(lái)確定他們在大海上的經(jīng)度的航海人員帶來(lái)一個(gè)潛在的問(wèn)題。

雜志上的更多趣聞

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

 　　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（英國另一位計時(shí)技術(shù)先驅?zhuān)┰?761年制造超精度鐘時(shí)應用的系統。他們把一個(gè)特定地點(diǎn)的太陽(yáng)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)家為了確保繼續應用這項技術(shù)，堅持使“世界標準時(shí)”與地球不穩定的自轉保持同步。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(cháng)一段時(shí)間每?jì)赡晏砑右婚c秒，然后有七年時(shí)間沒(méi)加。再后來(lái)就改成了每?jì)赡臧胩砑右婚c秒?！钡敲看渭尤胍婚c秒時(shí)，全世界所有的原子鐘都需要調整。我們大多人意識不到每幾年改動(dòng)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(dòng)關(guān)閉，這顯然使它們易受到黑客攻擊?；蛘呤ネ叫?，從而導致電車(chē)事故。雖然這類(lèi)故障未曾發(fā)生過(guò)，但Arias相信如果發(fā)生，后果將使災難性的。她警告說(shuō)：“如果金融系統中出現一秒的錯誤，就可能引發(fā)金融業(yè)地震?！毕氲浇鹑跇I(yè)損失數百萬(wàn)美元的交易可能不會(huì )讓你恐懼，但Arias擔心如果銫原子時(shí)出現錯誤，那些與銫原子時(shí)保持同步的發(fā)電站、手機系統和衛星導航系統會(huì )發(fā)生崩潰。

時(shí)間就是金錢(qián)，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星導航，所以這一改動(dòng)不會(huì )對他們有多大影響。但完全切斷時(shí)間與天體運動(dòng)的聯(lián)系會(huì )改變很多。因為地球的自轉在減慢，因此你的手表上的時(shí)間將逐漸與太陽(yáng)的起落產(chǎn)生偏差。Arias說(shuō)：“我們預測這種偏差在一千年內可以達到一小時(shí)?！绷钊梭@訝的是Arias在說(shuō)到這時(shí)卻是很自然。她說(shuō)我們大多數人已經(jīng)失去了與太陽(yáng)時(shí)的同步。由于地球的軌道是橢圓形的，太陽(yáng)時(shí)最大會(huì )與平均太陽(yáng)時(shí)偏差十六分鐘。如果考慮時(shí)區的影響，時(shí)區把時(shí)間分成若干區域，偏差就更大了。以中國為例，中國東西相差五千公里，一個(gè)時(shí)區就相當于一小時(shí)四十分太陽(yáng)時(shí)。世界上有些國家為了節約日照每年調整兩次時(shí)間，這實(shí)際上夸大了問(wèn)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(lái)，格林尼治子午線(xiàn)一直是國際計時(shí)的基準，英國堅持閏秒的影響并不大。也許這些國家的立場(chǎng)也是有道理的，因為時(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)客機上繞地球飛行。等飛機回來(lái)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(jìn)行比較。

　　在科學(xué)家針對空中飛行對銫原子鐘的影響進(jìn)行科學(xué)測試的五年之前，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(lái)?？茖W(xué)家發(fā)現經(jīng)過(guò)嚴密包扎的銫原子鐘時(shí)間略微變慢，而偏差的量正好與愛(ài)因斯坦的相對論所預測的相吻合。這就反過(guò)來(lái)證明了愛(ài)因斯坦假說(shuō)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動(dòng)速度。今天，GPS衛星上的原子鐘在調整時(shí)必須準確考慮到相對論所產(chǎn)生的效應。新一代超高精度光鐘可能會(huì )利用相對論繪出地球的重力場(chǎng)，方法是計算重力效應導致的時(shí)間上的微小差別?？墒锹?zhù)，想想這是多么諷刺。銫原子鐘恰好證明了想要精確計量時(shí)間是不可能的。