秒的定义是什么？现行标准中「铯原子振动次数」是如何得来的？第1页

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秒的定义，网络上很容易搜得到。2019 年国际单位制改版之后，科学家更新了 1 秒的定义，表达为：

秒，符号 s，SI 的时间单位。当铯的频率ΔνCs，即铯 133 原子基态的超精细能级跃迁频率以单位 Hz，即 s−1，表示时，将其固定数值取为 9192631770 来定义秒。

可见，这个 9192631770，是人为给出来的，它后面没有跟着任何不确定度。

不过，普通人从这句充满术语的定义中，很难想象出原子钟究竟如何工作。

原子钟的工作原理，使用的是光谱学技术。

简单来说，我们知道量子力学里面说原子有很多很多的分立的能级。原子在两个能级之间跃迁，会吸收/辐射固定频率的光。

原子钟的基本结构，就是一台非常精密的光谱仪器。它直接测量的并不是时间，而是能级跃迁时发出的光。

原子钟里有一个微波发射器，一个微波接收器，中间放置充满了气态铯原子的真空室。这个微波发射器的发射频率，大约在 9.192632 GHz.

当铯原子被微波照射的时候，它就会吸收能量并且跃迁。随后，它返回到低能级时再发出固定频率的微波。如果微波发射器的频率，正好与铯原子跃迁所需要的频率（能量）一模一样，我们就会观察到最强烈的信号。在仪器输出端就可以看到一条谱线^[1]：

1955 年 L. ESSEN 和 J. V. L. PARRY 发表的原子钟。图片来源：Nature

这套装置中安装了一个反馈电路。反馈电路不断调节着微波发射器发出的微波频率，使得接收器一直能够接收到最强烈的铯原子跃迁信号，也就是图中的这个「峰」。这样，科学家就知道，工作中的微波发射器频率，就应该等于铯原子的跃迁频率。

在这个过程中，科学家并没有直接去数铯原子跃迁每秒发生了多少次，而只是通过各种手段，设法让仪器可以采集到更加尖锐、精确的光谱峰。

随后，科学家向大家宣布，把这个铯原子钟微波发射器中的微波频率，定为 9192631770 Hz。因此，铯原子跃迁的峰在哪里，1s 的定义就在哪里。（假设有一种不知名的神力，悄悄改变了这个峰的频率，1s 的长度就会跟着发生变化——直到我们察觉到，在这种改变了长度的 1s 的计时下，其他的物理量测量出来的都不对了。）

至于为什么是 9192631770 Hz，不是再多 1 Hz 或者少 1 Hz 呢？这主要还是为了和历史上更早的秒定义保持一致。

自古以来，人类就是通过夜观天象来确定时间和历法的。原子钟出现之前，秒的定义是基于太阳的视运动——把 1 个回归年分成 31556925.9747 份，每份是 1 秒。原子钟出现之后，经过多年的天文观测和比较，科学家把原子钟的频率和太阳的视运动周期相比较，并通过最小二乘法拟合，得出了 9192631770±20 这个数字^[2]，并将其固定下来作为新的标准。这份结果，发表在了大名鼎鼎的《物理评论快报》PRL 1958 年的创刊号上。

在我们日常使用的电子设备和科研仪器中，常用的时钟也是各种振荡器，例如石英晶体、铷原子钟和氢原子钟。它们的精度比国家计量局建设的高精度铯原子钟要低一些，但是成本低、体积小，可以量产。

而成本高、精度高的铯原子钟，主要用途就是作为基准时钟，为各种设备中的其他时钟作校准。通过复杂的电子电路，我们可以比较两个振荡器输出的交流电频率。我们可以用被锁定在铯-133 跃迁频率的铯原子钟信号作为参考信号，把自己设备中的时钟振荡频率，与基准频率匹配。

最后，才是向用户输出 1s 是多少，比如计算机、手机和钟表上，每 1s 中数字走一格。这背后，才是用计数器数数，计算设备上的时钟信号经过了多少个完整的信号周期。

使用原子或分子的跃迁来作为频率基准，从而作为时间基准，这个概念，是开尔文勋爵在 1879 年提出的。开尔文勋爵还是很厉害哒，大家不要只盯着两朵乌云黑他。

分子束技术和核磁共振技术的开创者、1944 年诺贝尔物理学奖得主伊西多·拉比（Isidor Rabi）在 1945 年做出了第一个「分子钟」，用的是氨气的能级跃迁。虽然这个分子钟的精度还没有现代石英手表的精度高，但实际验证了开尔文勋爵的设想。之后大家才发现拿铯原子来做，频率测量能够更为精确，便逐渐成为新的标准。

我想，如果未来，大家能找到一种新的测量设备，比铯原子钟的跃迁频率测量还要准确得多，秒的定义就也会随之更改。事实上，现在已经有很多种基于其他跃迁类型的钟了，例如使用可见光而非微波的「光学钟」^[3]，使用光晶格锁定住大量原子的「光晶格钟」^[4]，使用量子逻辑电路的「量子钟」^[5]，以及使用原子核跃迁（而非电子跃迁）的「原子核钟」^[6]等等。

科学家对精密测量的追求不会停止。未来，时钟的精度一定还会不断提升。