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？
现代意义上的秒，其核心在于“铯原子振动次数”。听起来有些抽象，但我们可以这样来理解：一个秒，被定义为铯133原子在其基态的两个特定超精细能级之间跃迁时，吸收或放出辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。
这句听起来很拗口的话，其实包含了几个关键要素。首先，我们关注的是铯133原子。这是一种相对常见的铯的同位素，它的原子核和电子构成了原子，而这些原子内部存在着特定的能量状态。
接着，我们提到的是基态。就像一个人在休息时处于最放松的状态一样，原子也有一个能量最低的状态，这就是基态。在基态下，原子的行为相对稳定。
然后，是两个特定超精细能级之间的跃迁。在原子内部，电子围绕着原子核运动，但它们的运动并非随意，而是存在着一些极其微小的能量差异，这些差异被称为“超精细能级”。这些能级就像是原子内部的“小台阶”，电子可以在这些台阶之间跳跃，每次跳跃都会吸收或放出特定频率的电磁波。
最关键的部分在于9,192,631,770个周期。这个数字不是随意设定的，而是通过反复的实验测量得出的。科学家们发现，当铯133原子处于基态时，其内部的这两个特定超精细能级之间的跃迁，对应着一个非常稳定且可重复的频率。这个频率的微波辐射，每一次振动，就构成了一个周期。将这个特定的频率对应的周期数累加到9,192,631,770次，所花费的时间，就被我们定义为“一秒”。
那么，这个“9,192,631,770”这个数字是如何“得来”的呢？这并非是一个拍脑袋的决定，而是科学研究和技术进步的结晶。
在现代秒的定义确立之前，人们曾使用过各种参照物来定义秒，比如地球的自转或公转。例如，早期的秒被定义为一年（地球绕太阳公转一周）的八千六百四十万分之一，或者一天（地球自转一周）的八万六千四百分之一。然而，这些参照物存在着一个根本性的问题：它们并不绝对稳定。地球的自转速度会受到月球引力的影响而逐渐减慢，地壳运动、地震等因素也会对其产生影响。这意味着以地球的运动作为时间基准，时间的长短会随着时间的推移而发生微小的变化，难以满足高精度计时的需求。
随着科学技术的发展，科学家们开始寻找更内在、更稳定的物理现象来作为时间测量的基础。原子，作为构成物质的基本单元，其内部的规律性运动被认为是极具潜力的。特别是那些具有稳定电子能级的原子，它们的光谱线非常狭窄，能够产生非常纯净且单一频率的电磁波。
在众多的原子中，铯133原子脱颖而出，成为了定义秒的“标准”。这是因为它的超精细能级跃迁所产生的微波频率，经过大量的实验测量，被证明是极其稳定和精确的。科学家们通过高精度的设备，能够精确地测量出铯133原子基态下，特定超精细能级跃迁所需的微波频率。
经过多年的研究和国际间的合作，科学家们通过无数次细致的实验，不断优化测量方法和设备，最终锁定了9,192,631,770次这个数字。这个数字就是那个特定频率的微波辐射，其每秒的振动次数。反过来，他们就定义了“一秒”的时间长度，使得这个特定的铯原子跃迁周期能够精确地覆盖9,192,631,770次。
所以，你可以理解为，这个数字是基于对铯133原子物理特性的深刻理解和精确测量得出的。它不是凭空捏造，而是科学探索过程中，对自然规律的不断逼近和提炼。这种以原子振动为基础的时间定义，被称之为“原子钟”，它提供了前所未有的时间精度，为现代科学、通信、导航（如GPS系统）等领域的发展奠定了坚实的基础。
网友意见
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]：
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。
参考
- ^L. Essen & J. V. L. Parry, Nature (1955) 176, 280–282. https://www.nature.com/articles/176280a0
- ^W. Markowitz, R. Glenn Hall, L. Essen, and J. V. L. Parry, Phys. Rev. Lett. (1958) 1, 105 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.1.105
- ^光学钟 https://physicsworld.com/a/optical-clocks/
- ^光晶格钟 https://physicsworld.com/a/optical-lattice-clock-shatters-precision-record/
- ^铝量子钟 https://www.nist.gov/news-events/news/2010/02/nists-second-quantum-logic-clock-based-aluminum-ion-now-worlds-most-precise
- ^钍-229 原子核钟 https://www.nature.com/articles/s41586-019-1542-3
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