我们如何定义时间？150亿年后不差1秒

　　简单说来，我们可以这样定义时间：时间是对一个可重复事件的连续测量。

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　　文章来源：赛先生

　　当我敲下这些文字的时候，我意识到时间正在悄悄流逝，而手下嗒嗒嗒的键盘声正在数算着这流逝的时间。尽管人们曾赋予过时间不同的意义，有的浪漫诗意，有的充满哲理，更有一些富于宗教神秘色彩，但简单说来，我们可以这样定义时间：时间是对一个可重复事件的连续测量。从最古老的日晷钟数算日升日落，单摆钟数算摆针的摆动次数，直到现代的原子钟，通过数算原子的振荡频率来计算时间，无一例外。谈到时间的测量，那当然是物理学家份内的工作，可以说时间是一个物理量，可以用各种“钟”来测量。

　　对于时间，首先我们需要澄清一个模糊的认识。仔细想来，你也许会发现当我们在谈论时间时用一个词“时间”来表示了两个截然不同的概念。我们让“时间”代表一个“时刻”，即事件什么时间发生，同时我们又让它代表某个“间隔”，也就是指发生的两个事件之间用了多少时间。从测量的角度看“间隔”比“时刻”更重要。在国际上这个时间间隔是通过国际标准“秒”来定义的。而“同步”对测量“间隔”又特别重要。就像两个需要电话沟通的人，什么时间打，打多久不重要，但他们必须同时在电话边才可实现通讯。当代迅猛发展的通讯系统，卫星导航系统等对时间测量技术提出持续的挑战，它要求同步两个或更多的时间测量装置，让用户以精确到千分之一，百万分之一的精度同步测量时间间隔。所以时刻，间隔和同步是时间测量的三个基本物理量。

　　原子钟，可以说是有史以来最精确的时钟设备，它利用原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，最好的铯原子钟达到2000万年才相差 1 秒的精度。我们腕上的手表典可以保证一周之内不差一秒，我们对这个精度已经很满意了，而现代原子钟的目标测量精度，是要求在整个宇宙寿命期间都不会偏差一秒。试想一下，这也就是说，如果一些可怜的家伙在宇宙大爆炸之前建造了一台原子时钟，如果这台钟幸运的在剧烈的宇宙爆炸和漫长的宇宙进化中生存下来，今天仍然能正常的运转，那么它今天显示的时间与大爆炸前所设置的时间相比不会差出一秒。

　　今天原子钟无处不在，甚至可以在网上买到二手货。在世界的许多角落，比如股票交易所，数据中心或GPS卫星导航系统的心脏地带，它们滴滴嗒嗒地运行着。更重要的是每天有几百个原子钟分布在世界50多个国家的角角落落，它们不断地把自己测量到的时间传送到位于法国的国际度量衡局(BIPM)，科学家们正是利用这些数据定义了世界的时间，即国际原子时间，简称TAI时间(来自法语“Temps Atomique International”)。

　　国际度量衡局(BIPM)坐落在巴黎城郊塞纳河边一座白色木质两层楼房内。它建立于1875年，是根据同年17国签署的《米制公约》所设立的三个国际标准组织之一，另外两个是国际计量大会(CGPM)及国际计量委员会(CIPM)，其宗旨为确保国际度量衡标准根据米制公约施行。目前《米制公约》共有51个会员国。

　　1875年《米制公约》签署时定义了公里和米的标准，后来在该公约中又加入了秒为国际标准单位。《米制公约》于1967年对米的国际标准进行了重新定义，目前米的标准长度是光速和时间标准确定的，而秒作为时间间隔的基本单位，是根据铯原子的振荡频率定义的，即铯-133原子外层电子在两个能级间跳跃辐射产生的电磁波的振荡周期的9 192 631 770 倍定义为一秒。

　　分布在世界51个国家的时间标准实验室每天把他们的原子钟测量到的时间传送到国际度量衡局，国际度量衡局将收到的数据取平均后，发布了一个名为“Circular T”的文件，它是一个世界标准时间的时间表，每月发布一次，世界标准时间就是各个实验室测量值的平均值。那么世界各地的时间标准实验室就会根据这个时间表调整他们的时间漂移。这个国际标准时间协议可以确保世界各地的时间在一个月之内偏差不超过0.000000001秒。

　　另外，几个先进的计量实验室同时还提供主频率标准的超精密铯原子钟，用来不定期的校准那些持续运营的铯原子钟，使它们的测量结果尽可能接近国际标准时间。在美国这个用于校准的频率标准是由位于科罗拉多州博尔德市(boulder)的国家标准计量研究所的铯原子喷泉钟提供。我国全国范围采用的北京时间，是由位于陕西临潼和陕西蒲城的中国科学院国家授时中心(国家授时台)发布，他们通过9台铯原子钟和2台氢原子钟通过精密比对和计算定义标准时间，同时也通过卫星与世界各国授时部门进行实时比对。

　　世界目前采用的时间是由原子钟决定的，原子钟是在地球引力场作用下测量的时间，那么问题来了，原子钟定义的时间与宇宙时间相同吗?宇宙时间又称为大爆炸时间，是在宇宙学的大爆炸模型下定义的时间坐标，而宇宙大爆炸模型把宇宙定义为一个均匀扩展的宇宙。广义相对论理论指出当有一个大质量物体存在时，对于同一个过程在距离大质量物体更近时会比远离这个物体时进行得更慢，这种现象叫做引力时间膨胀，也就是说我们采用的原子钟所测量的时间可能会受到地球引力波的影响而比宇宙时间略微缓慢。脉冲星是一种磁化旋转的中子星，它自转时，会周期性的向地球发射脉冲信号，所以原则上人们也可以利用脉冲星测量时间。由于脉冲星靠消耗自转能量而弥补辐射出去的能量，其自身的引力作用会逐渐坍缩，因而自转会逐渐放慢，这样在地球上测量到的脉冲辐射周期也会逐渐变慢，但是这种变慢非常缓慢。可以这么说，虽然和宇宙时间相比，脉冲星的辐射也并不是那么精确，但其信号周期的精确度还是超过原子钟。受引力波的影响，原子钟与宇宙时间相比还是有相当的背离的。

　　为了克服地球引力对原子钟的影响，现代太空和卫星技术也开始参与到改善国际原子钟的努力中来。最近欧洲航天局开展了一项空间原子钟合奏计划(ACES)，目的就是要在国际空间站上运行一台最精密的铯原子钟，预计两年后它将开始在空间站运转，它会定期从空间站向几个地球站发射微波信号。这台运行于微重力下的原子钟，将更接近宇宙时间，必将为引力波探测，弦论研究，大型干涉仪和时间频率标准测量等提供稳定而精密的时间标准。通过这项空间计划，世界各国的时间标准实验室都就可以和世界最精确的时间进行比对，把他们测量到的时间离差降低到最小。

　　（撰文| Andrei Derevianko 翻译| 雨遇 校译| 马子颂）

有趣的是目前看来无论时间还是对时间的定义都不会是静止的。近年来在世界几个著名的实验室亲密合作又相互竞争基础上，科学家们已经发明了一种更好的时间标准，这是基于超冷原子和超冷离子制造的时钟，其时间精度已经接近于原子钟的精度极限，远远超越目前最精密的铯原子钟为主频标准定义的时间精度。2014年刚刚举行的国际原子物理会议上明确认定，目前美国，日本和德国三个国家拥有世界上最精确的原子时钟，它是由锶原子光晶格钟实现的，它的精度和稳定性达到每秒离差小于2×10-18秒， 也就是说相当于150亿年都不会偏差超过1秒， 这已经超越了宇宙寿命。当然这样精准的时间也已经远远超过了传统上人们在导航和通讯领域对时间精度的要求，它将为引力波探测，弦论研究，宇宙探索等科学研究保驾护航。这个会议上科学家们已经开始讨论如何根据新的时钟标准来优化秒的定义，也就是说铯原子钟很可能即将退役，而世界时间将被锶原子光晶格钟重新定义。最近由哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)和美国科罗拉多州联合天体物理实验室(JILA inColorado)叶军(Jun Ye)领导的实验小组提出了他们对如何向世界提供时间标准的新设想，他们建议建立一个原子钟的量子网络，这个网络可以是建在绕地卫星轨道上，利用量子纠缠创建一个巨大的分布式时钟，每个国家的卫星都参与到这个网络中，使参与其中的每个国家都可以分享最精密的时间标准。叶军同时也承认：“这确实还只是一个未来的发展建议，我们必须实现大幅度的技术进步才有可能实现，但是目前为止实现这样的世界时间网络所需要的技术难题基本上已经在小范围内全部得到解决，接下来需要的只是向更大的空间拓展”。也许在不远的将来，世界的时间将如此而定义。