時間對於我們日常生活的運作至關重要：從手腕上的手錶到手機中的 GPS 系統。
通信系統、電網和金融交易都依靠關於精準計時。秒是計時中重要的計量單位。
令人驚訝的是，對於第二個的定義仍然存在爭議。但最近的進展世界上最精確的計時形式可能剛剛改變了遊戲規則。
準確的計時一直是人類社會進化的一部分。在新石器時代的紀念碑紐格蘭奇在愛爾蘭入口上方有一個特殊的開口，可以讓陽光在一年中白天最短的時候（12 月 21 日冬至前後）照亮通道和房間。
大約2300年前，亞里士多德說認為“最外層天體的公轉”應該是測量時間的參考。這位希臘哲學家相信宇宙被排列成同心球體，以地球為中心。
水鐘出現於公元前 2000 年左右，是最古老的時間測量儀器之一。他們通過調節進出容器的水流量來實現這一點。機械鐘於13世紀後期問世。
直到1967年，一秒被定義為一天的1/86,400，一天有二十四小時，一小時有六十分鐘，一分鐘有60秒（24 x 60 x 60 = 86,400）。
第二個……是通過取銫 133 原子的……躍遷頻率來定義的，以單位 Hz 表示時為 9,192,631,770，等於 s⁻1 。
如果您感到困惑，請讓我詳細說明。這個定義的核心是過渡頻率。當原子中的電子吸收能量並移動到更高的能級，一段時間後返回到鬆弛狀態時，就會發生躍遷。
有點像喝一杯：你突然有更多的精力，直到逐漸消失。頻率是特定時間段內發生轉換的預期次數。
在每一秒的每一刻，銫 133 電子的特定躍遷發生 9,192,631,770 次。這已經成為衡量時間的尺度。迄今為止，銫提供了最準確的秒定義，但可以使用更高的頻率對其進行改進。
轉換頻率越高，單個誤讀對總體精度的影響就越小。如果每秒有 50 次轉換，則誤算一次的準確性所造成的損失將比每秒 5,000 次轉換嚴重一百倍。
減少這種誤差有兩個限制：測量頻率（尤其是更高頻率）的技術挑戰；以及需要找到一個具有可測量高頻躍遷的系統——第二個是銫133原子。
為了測量未知頻率，科學家們採用已知頻率的信號（作為參考）並將其與他們想要測量的頻率相結合。它們之間的區別將是一個具有易於測量的小頻率的新信號：拍頻。
原子鐘使用這種技術來精確測量原子的躍遷頻率，以至於它們成為定義秒的標準。為了達到這樣的精度，科學家需要一個可靠的參考信號，他們可以通過頻率梳獲得該信號。
頻率梳使用激光，以間歇脈衝形式發射。這些光束包含許多不同的光波，其頻率分佈均勻，就像梳子的齒一樣——因此得名。
在原子鐘中，頻率梳用於同時將能量傳遞給數百萬個原子，希望其中一個梳齒能夠以原子的躍遷頻率跳動。
齒數多、薄且頻率範圍合適的頻率梳會增加這種情況發生的機會。因此，它們是實現參考信號高精度測量的關鍵。
從原子鐘到核鐘
正如我們所看到的，第二個是由銫原子中的電子躍遷定義的。發生頻率較低的轉變更容易測量。但那些以較高頻率發生的情況有助於提高測量的準確性。
銫躍遷發生在電磁頻譜上與微波大致相同的頻率。這些微波頻率低於可見光的頻率。
但2021 年 9 月科學家們利用鍶元素進行了測量，其躍遷頻率高於銫，並且落在可見光範圍內。這開啟了到 2030 年重新定義秒的可能性。
2024年9月，美國科學家取得了關鍵進展邁向建造核鐘——超越原子鐘的一步。與原子鐘相比，這種新設備測量的躍遷發生在原子核或核心（因此得名），這使其頻率更高。
這項研究中使用的釷 229 原子提供了可以被紫外線激發的核躍遷。研究核鐘的團隊克服了構建在相對較高的紫外線頻率範圍內工作的頻率梳的技術挑戰。
這是向前邁出的一大步，因為核躍遷通常只有在更高的頻率下才可見——就像伽馬輻射的頻率一樣。但我們還無法準確測量伽馬范圍內的轉變。
釷原子躍遷的頻率大約比銫原子高一百萬倍。這意味著，儘管它的測量精度低於當前最先進的鍶鐘，但它有望帶來具有更精確秒定義的新一代時鐘。
正如核鐘所做的那樣，將時間測量到小數點後第十九位，這將使科學家能夠研究非常快的過程。想像一下兩名跑步者並列完成比賽的情景。如果裁判的秒錶多了幾個數字，他們就能夠確定獲勝者。
相似地，用於研究可能導致與量子力學重疊的高速過程。核鐘將為我們提供證明這些理論所需的技術。
在技術層面上，GPS 等精確定位系統基於復雜的計算，需要精確測量信號從一個設備跳到衛星再跳到另一台設備所需的時間。
對秒的更好定義將意味著 GPS 更加準確。銫秒的時間可能已經到了，但超越它的是一個全新的世界。
