时间对于我们日常生活的运作至关重要：从手腕上的手表到手机中的 GPS 系统。
通信系统、电网和金融交易都依靠关于精准计时。秒是计时中重要的计量单位。
令人惊讶的是，对于第二个的定义仍然存在争议。但最近的进展世界上最精确的计时形式可能刚刚改变了游戏规则。
准确的计时一直是人类社会进化的一部分。在新石器时代的纪念碑纽格兰奇在爱尔兰入口上方有一个特殊的开口，可以让阳光在一年中白天最短的时候（12 月 21 日冬至前后）照亮通道和房间。
大约2300年前，亚里士多德说认为“最外层天体的公转”应该是测量时间的参考。这位希腊哲学家相信宇宙被排列成同心球体，以地球为中心。
水钟出现于公元前 2000 年左右，是最古老的时间测量仪器之一。他们通过调节进出容器的水流量来实现这一点。机械钟于13世纪后期问世。
直到1967年，一秒被定义为一天的1/86,400，一天有二十四小时，一小时有六十分钟，一分钟有60秒（24 x 60 x 60 = 86,400）。
第二个……是通过取铯 133 原子的……跃迁频率来定义的，以单位 Hz 表示时为 9,192,631,770，等于 s⁻1 。
如果您感到困惑，请让我详细说明。这个定义的核心是过渡频率。当原子中的电子吸收能量并移动到更高的能级，一段时间后返回到松弛状态时，就会发生跃迁。
有点像喝一杯：你突然有更多的精力，直到逐渐消失。频率是特定时间段内发生转换的预期次数。
在每一秒的每一刻，铯 133 电子的特定跃迁发生 9,192,631,770 次。这已经成为衡量时间的尺度。迄今为止，铯提供了最准确的秒定义，但可以使用更高的频率对其进行改进。
转换频率越高，单个误读对总体精度的影响就越小。如果每秒发生 50 次转换，则误算一次的准确度所造成的损失将比每秒发生 5,000 次的情况严重一百倍。
减少这种误差有两个限制：测量频率（尤其是更高频率）的技术挑战；以及需要找到一个具有可测量的高频跃迁的系统——第二个是铯133原子。
为了测量未知频率，科学家们采用已知频率的信号（作为参考）并将其与他们想要测量的频率相结合。它们之间的区别将是一个具有易于测量的小频率的新信号：拍频。
原子钟使用这种技术来精确测量原子的跃迁频率，从而成为定义秒的标准。为了达到这样的精度，科学家需要一个可靠的参考信号，他们可以通过频率梳获得该信号。
频率梳使用激光，以间歇脉冲形式发射。这些光束包含许多不同的光波，其频率分布均匀，就像梳子的齿一样——因此得名。
在原子钟中，频率梳用于同时将能量传递给数百万个原子，希望其中一个梳齿能够以原子的跃迁频率跳动。
齿数多、薄且频率范围合适的频率梳会增加这种情况发生的机会。因此，它们是实现参考信号高精度测量的关键。
从原子钟到核钟
正如我们所看到的，第二个是由铯原子中的电子跃迁定义的。发生频率较低的转变更容易测量。但那些以较高频率发生的情况有助于提高测量的准确性。
铯跃迁发生在电磁频谱上与微波大致相同的频率。这些微波频率低于可见光的频率。
但2021 年 9 月科学家们利用锶元素进行了测量，其跃迁频率高于铯，并且落在可见光范围内。这开启了到 2030 年重新定义秒的可能性。
2024年9月，美国科学家取得了关键进展迈向建造核钟——超越原子钟的一步。与原子钟相比，这种新设备测量的跃迁发生在原子核或核心（因此得名），这使它具有更高的频率。
这项研究中使用的钍 229 原子提供了可以被紫外线激发的核跃迁。研究核钟的团队克服了构建在相对较高的紫外线频率范围内工作的频率梳的技术挑战。
这是向前迈出的一大步，因为核跃迁通常只有在更高的频率下才可见——就像伽马辐射的频率一样。但我们还无法准确测量伽马范围内的转变。
钍原子跃迁的频率大约比铯原子高一百万倍。这意味着，尽管它的测量精度低于当前最先进的锶钟，但它有望带来具有更精确秒定义的新一代时钟。
正如核钟所做的那样，将时间测量到小数点后第十九位，这将使科学家能够研究非常快的过程。想象一下两名赛跑者并列完成比赛的情景。如果裁判的秒表多了几个数字，他们就能够确定获胜者。
相似地，用于研究可能导致与量子力学重叠的高速过程。核钟将为我们提供证明这些理论所需的技术。
在技术层面上，GPS 等精确定位系统基于复杂的计算，需要精确测量信号从一个设备跳到卫星再跳到另一台设备所需的时间。
对秒的更好定义将意味着 GPS 更加准确。铯秒的时间可能已经到了，但超越它的是一个全新的世界。
