作為一個化學元素，銫實際（jì）上已（yǐ）經重新（xīn）對時間進行了定義。

　　自小時候到現在，在各種（zhǒng）場合你都被告知（zhī）準時很重要。現在，有了銫原子，全世界各個地方的時間（jiān）都能保持準確，準確到讓我們感到（dào）需要重新思考時（shí）間（jiān）是（shì）什麽。而且我們發現計時技術中存在一個奇怪的（de）缺陷。事實上是在近些年來人們才意識到準確及時的重要（yào）性。並不是我們的祖先不需要知道時間，他們當然需要。幾千年來，人類（lèi）製造（zào）出多種多樣精致的儀器來衡量時間的（de）流逝。 但事實是直到175年（nián）前，在那之前的幾千年裏，人們對於時間的定義（yì）來源都是太陽。不管走到哪（nǎ）裏，你（nǐ）總能認出什麽時候是正午。晴天裏隻要看一眼天空或者看一下日晷，你（nǐ）就能知道時間。

　　這一切隨（suí）著（zhe）世界上第一條鐵路線（xiàn）的開通而改變了，這第一條鐵路就在這（zhè）裏，在英國。在那之後人們（men）都知（zhī）道（dào）倫敦的正午比布裏斯托（Bristol）的正午早10分鍾，這是一個精（jīng）確的值，它是陽光（guāng）走過兩（liǎng）座（zuò）城市之間的經度差所需要的時間。計時係統出現錯誤導致的將不隻是乘客會誤車。由（yóu）於計（jì）時偏（piān）差導致（zhì）的危險事件甚（shèn）至火車事故越來越多。1840年11月，英國西部鐵路公司（Great Western Railway）解決了這一（yī）問題，他們使用了一個叫“鐵路時間”（Railway Time）的計時係統。係統內所有城市的時間都是倫敦時間，這是第一（yī）次人們（men）根（gēn）據一個標準將不同（tóng）地點的時間同步（bù）起來。此舉引（yǐn）起了很大爭議。突然間，皇（huáng）家格林尼治天文台（Royal Observatory）就可以從遙遠的（de）格林尼治控製你的時間係（xì）統。埃克賽特大學的（de）校長拒絕將學校大教堂的時鍾調整至英國西部鐵（tiě）路公司所要求的時間。布裏斯托采（cǎi）用（yòng）了一個折中的方案：時鍾上有兩個分針，一個（gè）顯示當地時間，一個（gè）顯示“鐵路時間”。

這座鍾位於布裏斯托，鍾上（shàng）仍舊有（yǒu）兩根分針，兩者表示的時間相（xiàng）差十分鍾（zhōng）

　　然而“鐵路時間”逐漸成（chéng）為了英（yīng）國很多（duō）地方的時間標準，而且在世界上其他後來修建鐵路的地區大多數都（dōu）采用了“鐵路時間（jiān）”的標準（zhǔn）。但你可能要問，這些與銫原子有什麽（me）關係？答（dá）案是隻要你有一個遠程（chéng）操控的（de）網絡，計時的精確對於時（shí）間的同步是至關重要的（de）。而且所需（xū）要的傳輸速度越快，計時的精確度就越重要。因此在現代社會，信息以（yǐ）近乎光速（sù）的（de）速度（dù）在線（xiàn）路中或者空中傳播，計時精確度就更加重要。而銫原子的作用是大幅度改進了時間計量的標準。最（zuì）近我去了一趟英國精確計時技術的故鄉。並不是格（gé）林尼治，而是位於倫敦郊區特丁頓（Teddington）的英國國家物（wù）理實驗室（National Physical Laboratory）。在一（yī）個高級工業園區裏立著一些辦公大樓，牆壁上的玻（bō）璃閃閃發光。就是在這些大（dà）樓裏（lǐ），科學家們正在進行前無古人的科學探索。1930年正是在英國國家（jiā）物理實驗室，物理學家Louis Essen製作出了世界上第一個石英鬧鍾（zhōng），它（tā）的精度在當時是最高的，同時也預示著銫原子鍾的到來。石英鍾利用了一個原理：如果對石英晶體通電，石英晶體會以極高的頻率振動。這種（zhǒng）頻率叫作共振（zhèn）頻率，地球上每個物體都有其共振頻率。據說當（dāng）一個女高音唱到她的最高音時，那個聲音能讓一個香檳杯碎（suì）掉，這就是因為聲音達到了杯子的共振頻率。這也（yě）就是1831年蘭卡夏郡Broughton的吊橋倒塌的原因。軍隊在橋上走過時，行（háng）進步子的頻率無意中達到了吊橋的（de）共振頻（pín）率，使得吊橋發生劇（jù）烈震動，造成螺絲斷裂橋體倒塌。自（zì）那（nà）以後，軍隊會警告他（tā）們的士兵在經過吊橋時要打亂腳步。

接下來：一個香檳杯的共振頻率

　　為了理解這種共振現象如何幫助計時，想想（xiǎng）落地大擺鍾的鍾（zhōng）擺。鍾擺每擺動一次，鍾就過去一秒。石英（yīng）的（de）作用就相（xiàng）當於鍾（zhōng）擺（bǎi），隻是振動比鍾擺快得多：它的共振頻率比“秒”的振動頻率快數千倍。而這就是人們為什麽需要銫原子的原因。銫原子的共振頻率比石英還高很多倍，準確點來講是9192631770赫茲。這是Essen選擇它（tā）來製作第一台新型鍾（即原子鍾）的一方（fāng）麵（miàn）原因。Essen製造的石英鍾在三年內僅僅偏差了（le）一（yī）秒。而他在1955年於英國國家（jiā）物理實驗室製造的（de）第一台原（yuán）子鍾精度（dù）達到了一（yī）百四十萬年偏差一秒。但為（wéi）什麽選擇銫原子（zǐ）呢？

 Louis Essen（右）在1955年造出了世界上（shàng）第一台銫共振器

　　在英國國家物理實（shí）驗室的一個科研室（shì），倫敦大學（xué）學院的化學教授Andrea Sella向我展示了一個錫皮盒。他打開盒子拿出了（le）一團布料。布（bù）料中包（bāo）著一個玻（bō）璃瓶，瓶子裏充滿了一種銀金色的金屬。他用手握著玻璃瓶，金屬慢慢融化成了液體。當我拿過玻（bō）璃瓶時，他警（jǐng）告我：“不要把瓶子摔掉了！”他解釋說之所以需要這樣嚴密的防護是因為銫是一種堿金屬，銫在元素周期表第一列。銫的化學性（xìng）質很活潑，甚至超過鈉和鉀。他警告說（shuō）：“銫一旦沾（zhān）水就會釋放出氫氣，發出一聲巨響，因為氫氣會發生爆炸。”在周期表第一列說明銫原子的最外層（céng）有一個單電子。這就是為什麽銫的化（huà）學性質這麽（me）活潑，也正是這個單電（diàn）子（zǐ）的運（yùn）動行為引起了Essen的興趣。

銫：一些關（guān）鍵事實

 　　1860年由德國科學家羅伯特·本生和古斯塔夫·基爾霍夫（fū）發現。一（yī）種帶有金色的銀色金屬，是（shì）所有金（jīn）屬中化學性質最活潑的，最質軟的。熔點28.4攝氏度，意味（wèi）著在稍高於室溫（wēn）的溫度中就會呈現出液態。遇水會劇烈反應，遇空氣也會自發反應。儲量約為鉛的一半，為（wéi）銀的70倍。(資（zī）料來（lái）源：《不列顛百科全書》)

　　科學家（jiā）帶（dài）我來到英國國家物理實驗室建築樓群中很深的一個房（fáng）間，房間的門用一種高級電子鎖保（bǎo）護著，這裏存放著（zhe）科學家用來為英國製定計時標準的機器。這個機器叫作“銫噴泉鍾”（caesium fountain），在這裏我還遇到了噴泉鍾的保（bǎo）管人Krzyszt of Szymaniec。不要把這裏的“噴泉（quán）”想象成宮殿花園裏的噴泉。它就像一個家用熱水箱，它用不鏽鋼製成，外麵纏著各種電線，底部還裝有（yǒu）其他一些機件。雖（suī）然看（kàn）起來不漂亮，但這是地球上最精確的鍾之一。

 　　Szymaniec解釋了銫噴泉鍾的工作原（yuán）理，它用一束激光（guāng）使若幹銫原子緊緊地聚合在一起（qǐ），銫原子的振動幾乎停止，溫度僅比（bǐ）絕對零度高一點點。另（lìng）外再用激光（guāng）讓這堆原子進入機器的箱子中，原子（zǐ）在重力的作用下（xià）墜（zhuì）落，因此被稱為“噴泉”。

　　接（jiē）下來就將（jiāng）一束微波輻射的頻（pín）率調到銫原子的共振頻（pín）率。就像香檳杯和吊橋一（yī）樣，當頻率恰（qià）好達（dá）到（dào）某個頻率值時（shí），銫原子（zǐ）被激發，引起最外層的單電子進入更外層的軌道。這種現象叫作一次“躍遷”。

 　　單（dān）電（diàn）子在進入外層軌道時吸收能量，當它回到原軌（guǐ）道時會以光的形式釋放所吸收的能量，同時發出輕微的熒光。這意味著你可以判斷（duàn）出（chū）何時達到了9192631770赫（hè）茲的頻率。正（zhèng）是因為這個躍遷頻率比石英的共振（zhèn）頻率（lǜ）高出很多，銫原子鍾的精度（dù）大（dà）大超（chāo）過石英鍾。Szymaniec自豪地告（gào）訴我，英（yīng）國國家（jiā）物理實驗室的（de）銫噴泉鍾精度達到了每（měi）1.58億（yì）年偏差一秒。這就（jiù）是說，假如這座（zuò）鍾從恐龍奔跑翼龍飛行的侏羅紀中期開始計（jì）時，到現在它（tā）僅僅偏差了一秒。令人震驚的是，根據現代科技的發展程（chéng）度，造出比銫噴泉鍾更加精確的鍾並不（bú）是夢想。這是因（yīn）為對於（yú）計時技術，銫原子實（shí）際上隻是一個經（jīng）過妥（tuǒ）協的選擇。Szymaniec解釋說（shuō），Louis Essen之所以選擇銫原子，是因為銫原（yuán）子的躍遷頻率是那個年代的技術所（suǒ）能（néng）測量出的極限頻率。如今我們有了新的測量時間的方法。英國國家物理（lǐ）實驗室的（de）科學家正在試驗元素鍶和鐿。這兩種（zhǒng）元素的原子頻率更高，頻率已經超出了微波譜的範圍而到（dào）達光（guāng）譜。

如圖中所示的鍾，鍶（sī）原子或鐿原子光鍾（zhōng）甚至比銫原子鍾更精確

　　以鍶原（yuán）子為例（lì），它的（de）躍遷頻率為（wéi）444779044095486.71赫茲。美國開發的鍶原子鍾如果從地球存在時開始計時，到現在的偏差僅為一秒，精度達到約五十億年偏差一秒。英國國家物理實驗室（shì）的科學家預計（jì）人類（lèi）已經有能力造出精度達（dá）到一百四十億年（nián）偏差一秒的光鍾，而宇宙自誕（dàn）生到現在還不到一百四十億年。如果你覺得這種高得變（biàn）態的精確度似乎無意義（yì），那麽再細想一下，以衛星導航為例，如果沒有銫（sè）原子鍾，衛星導航就是不可能的事。GPS衛（wèi）星中（zhōng）攜帶一些同步的銫原子鍾，這些鍾合起來就能利用衛星基本三角定位原理確定你在地球上的位置。而且這僅僅是實（shí）際應用領域的一方（fāng）麵。Leon Lobo是英國（guó）國家物（wù）理實驗室負責授時的人（rén），他的工作是把準確的時間傳到全英國。當然這項服務是收費的。英國國家物理實驗室最近開始了一項新的服（fú）務，為商業活動提供標準化的計時（shí）服務，計時的精度達到一微秒——百萬分（fèn）之一秒。Lobo有一大批目標客戶，他們都有一項共同的需求，就是他們需要保證（zhèng）一個運行速度遠高於火車的網絡在時間（jiān）上同步。以（yǐ）電網為例。隨著風能（néng）和太陽能的應用越來越廣泛，而風與雲（yún）的運動可能會出現不可預測的暫停從而影響到電能，電網就需要對（duì）電能的這種變化進行精（jīng）確計（jì）時。如果計時出現錯誤（wù），就會出現停電故（gù）障。Lobo最（zuì）大的目標客戶是金融市場。如今在全球人們都用電腦進行交易，每秒鍾就完成數千（qiān）筆（bǐ）交易（yì），信（xìn）息在電線（xiàn）中的傳（chuán）輸速度近乎光速。在現代社會，一次火車（chē）事故就（jiù）相當於一次不合時宜的賭注，導致數百（bǎi）萬美元的損（sǔn）失，同時還可能輕易讓市場崩垮。自然地，金融管理者（zhě）越發需要一（yī）個具有高（gāo）精度的時間（jiān）戳來（lái）保證每筆交易的準確性。但（dàn）是銫原子鍾的精確性曾經讓全（quán）球的計時係統（tǒng）發生（shēng）過一次大變動。究其原因，我們需要將視線拉（lā）回1967年。那一年，科學界基於銫原子的躍遷（qiān）修改了國際時（shí）間標準“秒”的官方定（dìng）義。是的，銫原子重新定義了時間。

 
“秒”的定義

　　銫133原子基態（tài）的兩個超精細能級間躍遷對應輻射的9192631770個（gè）周期的持續時間。這是一次重（chóng）大的改變。在那（nà）之前，人類定義時間（甚至是（shì）鐵路時間）的根（gēn）據都是與地球相關的太陽的運動。而現在一切改變了。時間的定義依據不再是太陽，替代它的是銫原子。但是科學家好奇再過多久銫原子又會被鍶原子或鐿原子代（dài）替。將時間標準改為原子時是有道理的。因為科學（xué）家發現根據地球（qiú）自轉計量時間並（bìng）不是一個可靠的（de）選擇。每一天、每一年的長度都不是恒定不變的。首先，地球的轉動正逐漸變慢，因此日平均長度（dù）正一天天以緩慢的速度增加。然後還需要考慮（lǜ）海潮、版塊漂移（yí）以及地幔對流等因素（sù），這些都導致以地球轉動為依據的時（shí）間出現略微的不穩定。這對於Felicitas Arias很重要，她的工作是保證全（quán）世界（jiè）計時係統的穩定。她是（shì）位於巴黎的國際計量局（BIPM）的計時部門主任，國際計量局負責確保全球各時間計量係統的一致性，以及對現有的時間標準“世界標準（zhǔn）時”進行修改。當1960年人們（men）首次使（shǐ）用“世界標準時”時（比全球定位係統（tǒng）的使用還早很多），“世界標準時”給還在用鍾來確定他們在（zài）大海上的經度的航海人員帶來一個潛在的問（wèn）題。

雜誌上的更多趣聞（wén）

 　　“第一個改進了計時工具的精度的人其出發點不隻是學術興趣。十七（qī）世紀末期，鍾表設計研究是國家安全不可分割的一部分。導航技術（shù）和測繪（huì）技術對於戰爭中的成功指揮至關重要，在這段時期，英國與法國（guó）和荷（hé）蘭打了幾次（cì）戰爭。

 　　Lisa Jardine：科學家是如何造出（chū）世界上（shàng）第一個智能手表的？科學家仍（réng）舊使用（yòng）了John Harrison（英國另一位計時（shí）技術先驅）在1761年製造超精度鍾時應用的係統。他們把（bǎ）一個特定地點的太陽或（huò）星星（xīng）的位置與另一個地點（通常是格林尼治）時鍾（zhōng）上的時間作比較。每差四分鍾代表向西或向東差一經（jīng）度。但是科學家為了確（què）保（bǎo）繼續應用這項（xiàng）技術，堅持使“世（shì）界標準時”與地球不穩定的自轉保持同步。這表示有（yǒu）時需要加（jiā）入一個“閏秒”，Arias的工作就是（shì）確定什麽（me）時候加入這個“閏秒”。Arias告訴我：“以前有很長一段時間每（měi）兩年添加一閏秒，然後有七年時間沒加。再後來就改（gǎi）成了每兩年半添加一閏秒。”但（dàn）是每次加入一閏秒時，全世（shì）界所有的原子鍾（zhōng）都需要調整（zhěng）。我們大多人意識不到每幾年改動一兩秒的影響，但是（shì）計算機不是 這（zhè）樣。它們可能（néng）在一瞬間自動關閉，這顯（xiǎn）然使它們易受到黑客攻（gōng）擊。或者失去同步性，從而導致電車事故。雖然這（zhè）類故障未曾發生過，但Arias相信如（rú）果（guǒ）發生，後果將使災（zāi）難性的（de）。她警告說：“如果金融係統中出現一秒的錯誤，就可能引發金融業地震。”想到（dào）金融業損失數百萬美元的交（jiāo）易可能不（bú）會讓你恐懼，但Arias擔心如果銫原子時出現錯誤，那些（xiē）與銫原子時保持（chí）同（tóng）步的發電站、手機係統和衛星導航係統會發生崩潰。

時間就是金錢，特別是紐約證券交易所（suǒ）裏的金融交易

　　這就是為什麽科（kē）學家要完全拋棄閏秒而純粹采用原子時。航海人員一（yī）直都在使用衛星導航，所以這一改動不會對他們（men）有多大影響。但完全切斷時間與天體運動的聯係會改變很多。因為地球的自轉在減慢（màn），因此你的手（shǒu）表（biǎo）上（shàng）的時間將逐漸與太陽的起落產生偏差。Arias說：“我們（men）預（yù）測這種偏差在一千年內可以達到一小時。”令（lìng）人驚訝的是（shì）Arias在說到這時卻是很自然。她說（shuō）我們大多數人已經失去了與太陽時的同步。由於地球的軌道是橢圓形（xíng）的（de），太（tài）陽時最大會與平均太陽時偏差十六分鍾。如果（guǒ）考慮時區的影響，時區（qū）把時間分成若幹區域，偏差就更大了（le）。以中國為例，中國東西相差五千公裏，一個時區就相當於一小時四十分太陽時。世界上有些國家為了節約日照每年（nián）調整兩次時（shí）間，這（zhè）實際上誇大了問題。但是很多國家拒絕拋棄添加閏秒的（de）方案。比（bǐ）如英（yīng）國，幾世紀以來，格林尼治子午線一直是國際計時的基準，英國堅持閏秒的影響並不大。也許這（zhè）些國家的立場也（yě）是有道理的，因為時間的定義本就（jiù）不太可靠。1971年科學家把三座銫原子鍾放在商業客（kè）機（jī）上繞地球飛行。等飛機回來後，科學家將（jiāng）三座原子鍾與（yǔ）存放在美國海軍天文台的（de）銫原子鍾進行比較。

　　在科學家（jiā）針對空中（zhōng）飛行對銫原子鍾的影響進行科學測試的五（wǔ）年之前，這座原子鍾首先進行了一（yī）次從倫敦到（dào）美國（guó）的飛行。需（xū）要將原子鍾插在一個電源插座上，然後用一（yī）根皮帶紮起來。科學家發現經過嚴密包紮的（de）銫原子鍾時間略微變慢，而偏差的量正好（hǎo）與愛因斯坦的相對（duì）論所預（yù）測（cè）的相吻合。這就反過來證明了愛因斯坦假說的成立，即時間流逝的速（sù）度取決於物（wù）體在宇宙中的位置以及運動速度。今天，GPS衛（wèi）星上的原子鍾在調整時必須準確考慮到相對論所產生的效應。新一代（dài）超高精度光鍾（zhōng）可能會利用相對論繪出地球的重力（lì）場，方法是計算重力效應（yīng）導致的（de）時間上的微小差別。可是（shì）慢著，想想這是多麽諷刺。銫原子鍾恰好證明了想要精確計量時間（jiān）是不可能的（de）。