新知|一秒有多長?你以為的「一瞬間」有多快?

2020-11-28 新華報業網

　　交匯點訊 寒暑易節，物換星移，宇宙中一切物質的起源與消失，世界上一切事物的誕生與滅亡，都與時間息息相關。「嘀嗒嘀嗒」，在分針與秒針不斷交錯間，時間一秒一秒流逝。然而，一秒到底有多長？我們平時所說的「時間」是如何測量的？如何捕捉飛秒數量級的瞬間？司空見慣的「時間」背後隱藏著許多鮮為人知的「秘密」。

　　一秒到底有多長

　　當你一字一句閱讀到這裡時，時間已經流逝了20秒。作為最常用的時間單位之一，「秒」常常以周期性運動的時間來定義。然而，幾個世紀以來，關於「1秒究竟有多長」這個問題，科學家們也在不斷探索中。

　　中國科學院國家授時中心科技處科普主管劉永鑫在接受《新華日報·科技周刊》記者採訪時表示，20世紀中葉，時間標準則規定一個平太陽日的86400分之一為1秒。然而，地球的自轉運動並非等速進行，認識到這個問題後，秒的定義再次被修改。科學家們將地球繞太陽的公轉周期(即回歸年)作為確定時間單位的基礎，自曆書時1900年1月1日12時起算的回歸年的1/31,556,925.9747為一秒。

　　由於天體測量精度的不斷提高，回歸年的時長受其他天體的影響不斷變化，時間測量精度不斷提高，天文方法不再適合作為秒定義來使用，所以在1967年的第13屆國際度量衡會議上，人們決定以原子時定義的秒作為時間的國際標準單位，即銫133原子基態的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9,192,631,770個周期的持續時間。劉永鑫表示：「隨著現代計時精度的不斷提高，未來秒定義很有可能根據現在測量精度最高的光鍾作為基準。」

　　確定了一秒的時長，許多人不禁想問：1天=24小時=1440分鐘=86400秒嗎？答案是否定的，最新研究表明，每一天的時間長度都有著極其微小的變化。不久前，我國科研人員首次發現了日長變化中存在約8.6年周期的顯著振幅增強信號，並首次發現該振蕩的極值時刻與地磁場快速變化的發生存在密切的對應關係，其研究成果已在線發表於《自然·通訊》。

　　「利用標準小波時頻變換方法，我們分析國際地球自轉服務系統（IERS）提供的近60年高精度日長數據得出：日長變化除了之前認為的存在約0.12毫秒的6年周期變化外，還存在振幅約0.08毫秒的8.6年周期變化，並且該信號在過去的近60年內振幅在不斷增強。」論文第一作者、中國科學院上海天文臺副研究員段鵬碩告訴《新華日報·科技周刊》記者，一天並非是精確的24小時，從一個較大的時間尺度上分析，日長正在逐漸變長。

　　為什麼要精準測量「這一秒」

　　時間是人類古代文明歷史的主線，而「觀象授時」是人類祖先感受和認識時間的重要手段。劉永鑫介紹，上古時期，人們通過觀察太陽在遠山上升起的位置來確定一年中的時節，指導農耕。藉助太陽投影的位置的變化，人們發明圭表、日晷為代表的太陽鍾，測定一日的時刻；而香鍾、蠟鍾為代表的火鍾，銅壺滴漏為代表的水鍾，則是在沒有太陽的時候方便人們測量時間。

　　隨著人們對計時精度要求的不斷提高，人類發明出了一系列測量時間的精密儀器，如機械鐘、電鐘、石英鐘、原子鐘，光鍾等。其中，最具代表性就是原子鐘。東南大學物理學院董帥教授接受《新華日報·科技周刊》記者採訪時表示，簡單來說，原子鐘的工作原理是利用原子不同能階間躍遷，從高能級跳到低能級，發出一個光子，用這個頻率來定義時間。「原子鐘的好處是非常精準。我們日常生活中絕大多數場合不需要這麼精準的時間，但在某些特殊場合則非常重要，如全球衛星定位系統利用光速的無線電信號定位，一絲一毫的時間偏差，都會影響定位的精準度。」董帥說。

　　除了原子鐘，自2002年以來，光鍾研究成為國際計量科學發展的一個新熱點。劉永鑫引用《科學》雜誌此前報導的研究成果，光鍾將能提供「對物理世界更細緻的觀察」。他以鍶原子光晶格鍾舉例，在它的雷射束中，每一個光學晶格都擁有上千個中性鍶原子，而這種中性鍶原子每秒可進行430萬億次的「滴答」。與原子鐘的僅一個離子在量子態下來回翻轉不同的是，鍶原子光晶格鍾可在每一次「滴答」中能夠產生上千個原子的波動，這無疑讓後者在更短的時間內就能達到跟前者一樣的精準度。據了解，鍶原子光晶格鍾50億年才會產生1秒誤差，有望成為新一代秒定義的標準。劉永鑫認為：「總的來說，人們測量時間的方式可以視作是從天文轉向機械振蕩，再轉向電子振蕩，再到原子躍遷，而隨著脈衝星計時的發展，人們測量時間的方法又回歸到天文。」

　　所謂「一瞬間」究竟能有多快

　　一滴水從高處落入水面，我們僅僅能看到墜落而下的水滴，卻很難察覺到原本平靜的水面因這個「不速之路」而引起的「波瀾」——墜落、躍起、破碎、變小，如此反覆。為什麼我們無法捕捉到這麼細緻的畫面？「這是因為我們眼睛的一個重要特性是視覺暫留，即光象一旦在視網膜上形成，視覺將會對這個光象的感覺維持一個有限的時間，這是一種生理現象，是神經系統的屬性。」董帥解釋，對於中等亮度的光刺激，視覺暫留時間約為0.05至0.2秒。在生活中，通常我們所看到的所謂「瞬間」，其實大多大於0.1秒，如果再快人眼就沒有辦法分辨了。

　　一般來說，電影、電視的幀數大約一秒25～30幀，即在一秒鐘內把25～30幅圖片連起來形成動態視頻，這樣我們憑藉肉眼看上去感覺就是連續的。據了解，一般家用攝像機每秒最多能達到100幀，高速攝像機可以達到1000～10000幀/秒的速度記錄，而有些軍方專用的高速攝像機甚至可以達到1百萬～1千萬幀/秒。你以為已經夠快了嗎？「實際上，在真實微觀的分子世界，分子內原子之間的相對振動要快的多。一個振動周期只有幾個到幾十飛秒，運動速度大約在105米/秒量級。」中國科學院大連化學物理研究所研究員劉建勇告訴《新華日報·科技周刊》記者，實際化學反應中分子結構發生變化的時間範圍可以達到皮秒（10-12秒），甚至飛秒數量級。「飛秒是一個非常小的時間單位，1飛秒等於10-15秒。在1飛秒的時間內，光在空氣中也只能向前傳播大約0.3微米。」

　　劉建勇表示，如果我們想要給分子運動「拍動畫」，那麼可能就需要用到飛秒雷射技術。當我們把一束飛秒雷射脈衝照射到分子上，用分子與這束雷射相互作用產生的分子光譜、電子能譜等信號來表徵分子結構狀態時，測量儀器上就可以記錄下雷射脈衝持續的這極短時間內分子的結構狀態產生的信號。「這和在漆黑夜裡一束閃電閃過時，我們看到的相對靜止的景象是類似的，都是超短的光脈衝對時間進行的『切片』。每發射一個脈衝，就如同按下了一個具有飛秒量級時間分辨的相機快門，這樣就可以將分子變化的『一瞬間』記錄下來了。」劉建勇說。

　　交匯點記者 謝詩涵

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