走近SI 秒

来源:未知       编辑:admin
2021-05-01 15:46

  “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”。

  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。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。

  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,机械钟最终在肖特钟(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。

  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。

  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1/800。

  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s,是SI的时间单位。当铯频率ΔνCs,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?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。但是,这次修订调整了秒定义的文字表述,这样一来,所有SI基本单位的定义都在文字结构上保持一致。

  当今文明高度依赖时间。工作时间、学校时间表、商店营业时间和火车时刻表都或多或少遵守着时间。一些行业对计时准确性的要求则要高得多,例如银行、证券交易所、、互联讯和卫星导航等。

  如果没有准确计时,GPS导航会失效,无法拨通,网上银行无法转账,更不可能通过电子邮件交换可靠信息。

  时间是计量学中测得最精确的量,精确的时间是测量其他量的先决条件,例如确定测量长度的激光频率,或利用约瑟夫森效应复现标准电压。

  即便这种精确度有时候不见得必要,但我们大多数人在日常生活中接触到与时间测量相关的事情时,例如家庭用电量、用气量和其他账单,总希望能测得准。

  随着通讯系统进一步拉近人与人之间的距离,建立起一个全球通用的时标是非常便利的。虽然原子钟非常准确,但我们不能依靠单个原子钟来设定整个世界的时间。因此,人们决定利用位于世界各地的若干个钟的平均值来建立统一的时标。这种基于“时间标准群”的时标,称为国际原子时(International Atomic Time,简称TAI),由位于巴黎的国际计量局(BIPM)负责协调。

  由于地球自转和公转与原子中的原子现象没有直接关联,因此,TAI与历史上的天文时之间存在一定的差异。为解决这个问题,1960年1月1日,协调世界时(Universal Coordinated Time,简称UTC)成为时间基准。UTC是在TAI的基础上加以调整从而与零度子午线年,UTC成为了所有国家的官方时间。UTC会受到地球自转速度减慢等不规律因素的影响,因此它需要与原子时之间进行协调,确保中午永远在一天的正中间。这既保留了时间测量的一致性的优势,又使它与天文时相兼容。

  (来源:欧洲计量组织 翻译:中国计量科学研究院 宫柯楠 晏刘莹 高蔚 整理:史玉成)

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