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“现在几点了?”——这是所有语言中最常见的问题之一,也是自人类社会首次尝试给出时间坐标以来的一个令人着迷的话题 。
今天,让我们一起了解一下国际单位制(SI)中时间的基本单位——“秒” 。
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人类时间测量简史
人类探索时间测量已有数千年的历史 。人类的时间测量史可追溯至公元前2000年左右 。
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最早的计时器就是日晷,利用太阳下晷针(指时针)的投影方向来测定时间 。
日晷的设计各不相同,大到宏伟不朽的埃及方尖碑,小到可搬运甚至是便携的袖珍版本 。基于太阳的计时器有一些明显的缺点:一是无法在夜间工作,二是建造时需考虑当地的纬度(会影响太阳高度) 。水钟是另一种创新方案,利用水流量来测定时间 。但水钟也有其缺点,例如需要恒定的水压以保持恒定的流速 。
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13至14世纪,欧洲出现了机械钟,利用的是储存在弹簧或重物中的机械能 。
经过数百年创新改进,机械钟最终在肖特(Shortt clock)时达到设计顶峰 。肖特钟是最精确的商品摆钟,是20世纪20年代至40年代的最高守时标准 。肖特钟使用了两个电耦合钟摆系统(基本摆和辅助摆),并以电磁铁调节辅助时钟 。
20世纪30年代,石英钟作为时间标准的时代开始了 。
石英晶体具有压电效应 。其反向利用也是现实的:当外加一个电压时,石英将会产生一个频率准确的振动 。目前典型的现代石英钟可以达到每天约半秒的准确度,而最精准的石英钟可以达到在20-30年内仅有大约1秒的误差 。
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随后出现的原子钟取代了石英钟,成为最精准的时间标准 。
原子钟的概念最早由开尔文勋爵(国际单位制中温度单位热力学温标的创立人之一)于1879年提出 。它基于原子的量子现象,在原子内部只允许发生某些特定值的能量阶跃性改变,并随之发出固定频率的电磁辐射 。
世界上第一台基于铯133原子跃迁的精确原子钟由英国国家物理研究院于1955年建造 。铯原子钟目前仍然是最常见的原子钟,频率处于微波频段,比9 GHz略高 。正在研发中的光钟,其频率位于在光学波段,理论上讲,它的准确度可以达到约300亿年才减少或增加1秒 。
秒的定义是什么
人类历史中,很长一段时间里秒被定义为平太阳日的一小部分,而平均太阳日是由太阳在天空中的位置确定的 。1秒精确地等于平太阳日的1/86400 。
1956年,国际计量委员会(CIPM)提出了秒的新定义:
秒是自历书时1900年1月0日12时起算的回归年的1/31556925.9747 。
该定义于1960年被国际计量大会(CGPM)正式采用 。
1967年,随着原子钟的发展,对秒进行了第二次定义,至今仍然适用:
秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波的9192631770个周期的持续时间 。
但是,在2019年5月20日,对秒的最新重新定义即将生效,取代第二次定义:
秒,符号s,是SI的时间单位 。
当铯频率Δ νCs,即铯-133 原子无干扰的基态超精细跃迁频率以单位Hz,即s-1表示时,将其固定数值取为9192631770来定义秒 。
新旧定义有什么不同?
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从技术角度来看,没有任何不同,仍将沿用之前相同定义频率的微波铯原子辐射来定义秒 。
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