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科学|时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？( 二 )


科学|时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？
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图3 国际米原器丨图片来源：维基百科国际米原器词条
时间测量
而现如今米的定义是光在1/299792458秒内在真空中行进的距离 。 这个改变的动机并不是由于人们找到了比原子更好的尺子 。 因为最新的定义中秒的定义 ， 正是从原子中来的 。 这可能会令人费解 ， 利用7个基本单位中的一个去定义另一个 ， 何必大费周章?实际上不仅长度的单位如此 ， 其他的单位也都或多或少的和秒的定义联系了起来 。
如下图表示的是铯原子跃迁频率、普朗克常数、阿伏伽德罗常数、单色光源的发光效能、玻尔兹曼常数、电子电荷、光速和7个基本单位秒, 千克, 坎德拉, 开尔文, 安培, 米 ， 摩尔的定义关系 。 箭头表示头部的量是由根部定义的 。 比如米 ， 是由光速和秒定义的 。 不难发现除了秒之外的6个基本物理学单位中 ， 有5个的定义都和秒离不开 。
秒 ， 或者说时间的测量在测量标准中占据了极其特殊的地位 。 这是由于时间是目前人类当前科技水平下可以测量得最精准的物理量！目前秒是由原子钟定义的 ， 即铯133原子在基态下的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的时间 。
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图4 国际单位制各单位定义关系丨图片来源：维基百科国际单位制基本单位词条
寻找时间的准绳古人的计时智慧
计时原理万变不离其宗 ， 简单来说就是数周期 。 这并不新鲜 ， 相反 ， 这种思想古老得让人们找不到起源 。 古人“日出而作 ， 日落而息” ， 通过地球自转的周期定义了天 ， 通过地球公转的周期定义了年 。 这个周期的定义十分自然 ， 但是却并不精准 。 首先我们知道地球的自转和公转并不是那么理想 ， 不仅要考虑到公转和自转对日夜更替的影响并不独立 ， 还要考虑到地球不只有自转公转 ， 还有章动进动等 。 除此之外地球的自转也在以难以察觉的速度变慢 。 这直接导致了现行历法的复杂度 。 每隔四年需要置闰月 ， 每隔四百年还要少置一个闰月 ， 甚至根据时机还需要闰秒 。 2016年12月31日的最后一分钟有61秒 ， 这是最近的一次闰秒 。 虽然自2008年以来就有废除闰秒的呼声 ， 但是截至目前表决还没有通过 。 这足以看出昼夜更替的周期并不是理想的计时单位 。 除了周期长度不确定之外 ， 周期过长也是一大弊病 。 人们可以很精确地数出过了多少天 ， 但是很难精确地说出现在过了一天的百分之多少 。 就像是一个人数着太阳光强了弱了的交替次数就可以准确无误地说出来过了多少天 ， 但是要是他突然走出室外看到外面柔和的阳光 ， 他很难区分这是因为在上午还是因为是阴天 。 信号的强度比起频率更容易受到外界环境的影响！因此寻找周期更加稳定 ， 周期更短的计时标准是时间标准制定的发展方向 。
再到后来人们陆续发明了水滴计时 ， 沙漏 ， 摆钟等等 。 这些发明确实在一定程度上提高了时间精度 ， 但是并没有带来质的飞跃 。 因为这些计时器的周期都存在很大的不确定性 。 一方面周期的长短由设计参数决定 。 比如沙漏中沙子的多少 ， 摆钟中钟摆的长度 。 制作两个不同的摆钟必须要保证同样的长度 ， 为了保证长度相同 ， 又可能需要其他的基准 。 另一方面 ， 周期是由宏观物理运动产生的 。 物理运动难免会受到环境的影响 。 不同的湿度和温度下 ， 不同的气压 ， 不同的摩擦系数都会导致摆钟的时间时快时慢 。
近代的时间革命
第一次计时工具的突破来自于石英钟 。 虽然石英钟的黄金时代已经慢慢过去 ， 智能手环 ， 智能手表才是将要登场的主力军 。 但是不可否认的是石英表的诞生在钟表行业掀起了惊涛骇浪 ， 史称“石英革命” 。 石英有一种特殊的性质 ， 在某一方向加上电场可以引起垂直方向的机械振动 。 振动周期取决于石英晶体的固有频率 。 换句话说 ， 石英晶体的频率不取决于晶体的大小 ， 晶体的形状 。 因此不同地方的人并不需要相互比对 ， 就可以保证得到的周期是相同的 。 同时石英的频率在MHz量级 ， 对应周期仅为亚微秒量级 ， 因此日常使用中完全可以将计时转化为“数周期” ， 这就将半个周期带来的误差减小到可以忽略的程度 。 另外石英表的造价相对于传统的机械表也大为减少 。 因此 ， 上世纪70-80年代 ， 短短几十年的时间 ， 石英表就如雨后春笋般出现在了人们生活的方方面面 。 然而没有什么事情是完美的 。 石英晶体的周期虽然变成了固有属性 ， 解决了周期的基准性这一问题 ， 但是仍然会受到环境温度、湿度的影响 。 尽管这种影响很小 ， 随着科技发展 ， 日益增长的对时间精度测量的需求很快就难以满足了 。 在了解下一次计时革命之前我们可以先从“石英危机”中得到些启发：计时频率较大 ， 计时周期需要被物理学定律所保护 ， 外界的环境尽可能的稳定 。


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