打从出生，我们就感受着时间流逝。虽然看不见、摸不着，时间却存在于逐渐发黄的信纸、慢慢腐烂的苹果中，也流淌在人们日出而作、日落而息的进程里。
所以毫不意外，自古各地都不约而同地开始追踪时间、测量时间、记录时间，建立时间的刻度。
可靠的时间刻度，需要建立在可重复的周期性事件上。
古时候，人们最容易观察到的周期，不外乎白天与黑夜（地球的自转），于是有了“天”；其次是月的盈亏圆缺（月球的公转），于是有了“月”；以及气候的循环交替（地球的公转），所以有了“年”“四季”“节气”……
东西方“日晷”
在这个基础上，当社会需要到更小的时间刻度时，我们也慢慢盯上了一盏茶、一炷香，继而演变出铜壶滴漏、钟摆、杠杆齿轮等规律的计时工具。
在早期社会，诸如此类的时间刻度对于耕种、交通等生活场景而言已经充分够用。然而随着人类文明的发展，这些计时方式的刻度既不够细，精确度也不够高，容易受外在因素干扰而不稳定。
原子的秒值得一提的是，任何发生不可逆变化的东西，如腐坏的垃圾、变冷的咖啡、长出皱纹的脸，都可以是时钟。维也纳量子光学与量子信息研究所研究员胡伯表示，熵在这些不可逆的过程中趋于增加，而这可以用来标记时间的流动。
只不过时钟不是平等的，一些时钟比其他时钟更可靠。上述的垃圾、咖啡、皱纹就不是很好的时钟，因为它们与周围物质的相互作用是随机的，我们必须对这些过程进行长时间的平均，才能准确确定时间间隔。
时至今日，人类社会的计时依据已经不再是宏观的天象和器械，而是微观的粒子。
比如上世纪40年代用来检验爱因斯坦的相对论的时钟，就不是我们家中的机械/电子钟，而是基于μ子的衰变。由于粒子衰变是自主随机的过程，衰变速度固定、不受外部因素影响，我们可以根据μ子衰变的进程追踪时间流。
后来到1971年，物理学家换了个铯原子钟再次进行验证。
铯原子钟是什么原理？今天我们知道，原子里的电子处在不连续的能级（轨道）上；当电子从一个能级跳到另一个能级（即电子跃迁），就会释放/吸收相应的电磁波。
电子跃迁示意图
每种原子都有专属于它的一系列电磁波频率，并且同种原子的频率是固定的。例如铯-133原子的特征频率之一就是9,192,631,770 Hz（微波波段），不管在哪一个铯-133原子上都能观察到——这也成为了今天国际上定义“秒”的节拍器。
2001年，科学家以类似的原理，在汞原子上结合先进的激光技术，研制出了全光学原子钟，又称光钟。
由于铯原子比较好用的特征频率主要在微波波段，而新型原子钟则是建立在更高频段的辐射，所以光钟能提供更精细的时间尺度。现在世上最精准的光钟如果从宇宙大爆炸之初就开始运作，直到今天只会偏差0.5秒。
由此，国际时间频率咨询委员会在2015年提出了修改“秒”定义的路线图，2026年左右可能会迎来新一轮基于光钟的秒定义。
当下，类似的原子振荡是科学家观测到的最稳定周期性事件——但原子钟还可以再精准。
理论上，原子钟可以利用单一原子的振荡进行计时。不过在微观尺度下，单一原子受限于量子力学的不确定性，唯有经过大量的测量并取其平均，才能体现出它的“真正”振动频率，这也称作标准量子极限。
所以在实际操作中，原子钟一般会对成千上万个相同种类的原子进行测量，再统计出正确数值。不过即便在成千上万的原子里，标准量子极限的不确定性依然存在——这时候，曾让科学家苦恼的量子纠缠倒是来了一场神助攻。
量子纠缠，简单来说指的是一种粒子与粒子之间的某种性质被绑定；当一方的状态被测出，另一方的状态也瞬时被决定下来，类似一正就一负、一上就一下、一左就一右。
麻省理工学院去年底的一项研究指出，处于量子纠缠的原子振荡会围绕一个共同频率收紧，相比于不处于量子纠缠的原子偏差更小，从而让我们测出超越标准量子极限的精度。
在这个新型原子钟里，科学家让350个镱原子处于量子纠缠，精准度是没有量子纠缠的版本的四倍，可以做到在宇宙漫长的140亿年寿命中偏差低于0.1秒。
更准的秒从过去到现在，我们对时间更紧密、更精细的追踪，既服务了生活，也解码了宇宙；未来也一样。
生活上，越发高精尖的人类文明，如5G时代的许多场景与可能性都能从更精准的时间与空间定位获得加持。
科研上，科学家能够发现更多过去侦测不到的关于时间的物理规律，如引力波甚至暗物质，也可以进一步琢磨一些反常识、“毁三观”的问题，比如引力对时间流的具体影响、时间本身是否随着宇宙变老而变化等。
不过，百尺竿头、更进一步的路也不是没有尽头。
2017年Physical Review X上的一篇论文指出，更好的计时是有代价的：时钟的精度越高，消耗的能量、产生的熵也越大。一个具有完美周期性的理想时钟，理论上会燃烧无限的能量并产生无限的熵，但这在现实中是不可能的。换句话说，时钟的精度从根本上存在限制。
所幸的是，至今大多数的时钟，包括在科罗拉多州博尔德的JILA研究所运行的那些世界最先进的原子钟，都未达相关的基本限制，它们燃烧的能量还远超报时所需的最低能量。
不过JILA的物理学家叶军表示，钟表制造商正在加快使用量子信息科学来制造更精确的时钟，基本限制在未来会越发重要。
2021年10月20-24日，高山书院师生们将造访“北京时间”的诞生地——西安，与科学家们一起探寻最熟悉又最陌生的“时间”之本质。
作者 | 邱施运
编辑丨朱珍
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参考文献
[1]https://phys.org/news/2020-12-atomic-clock-precisely.html
[2]https://www.nim.ac.cn/520/node/4.html
[3]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.7.031022
[4]https://www.quantamagazine.org/the-new-science-of-clocks-prompts-questions-about-the-nature-of-time-20210831/
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/Xd_BODtNiU5VDhG46HZcIQ
[6]https://baike.baidu.com/item/原子钟/765460
※致谢※
特别感谢中国研究院国家天文台研究员、国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人、《中国国家天文杂志》执行编辑苟利军老师对本文的专业审核。
