一秒钟究竟如何定义？人类如何校准整个世界丨北京时间

无论是长波还是短波，所有授时系统的核心目标，都是将同一个标准时间传播得又远又准。然而，这个标准究竟从何而来？我们所说的北京时间，它的每一秒又是如何被定义、被测量、保持稳定的？

一秒钟到底是谁说了算

（图片来源：作者使用AI生成）

从仰望星空到凝视原子：秒的定义进化史

人类最初认识时间，是从天体的运行开始的。日出月落、四季轮回成为最原始的时间刻度，古代历法以地球自转为“日”，以公转为“年”，并将一天分为24小时，每小时60分钟，每分钟60秒。这样算来，最早的“秒”其实就是天文学意义上的秒，它被定义为地球自转一昼夜的 1/86400。

然而，随着科技发展和测量精度提高，科学家发现地球自转并不稳定，受潮汐、气候、大气运动等因素影响，地球自转速度会有微小的波动。对于日益精密的现代科技来说，这样的误差已经不可忽视。

20 世纪中期，科学家开始寻找一种更稳定、更可重复的自然过程来定义时间单位。1955 年，英国国家物理实验室研制出世界上第一台铯原子钟。这台神奇的设备利用铯-133 原子内部电子在不同能级间跳跃时发出的电磁波作为“节拍器”。实验表明，这一跃迁频率几乎不受温度、压力或磁场变化影响，其稳定性远超天文观测。

经过十多年的验证，1967 年，国际计量大会做出历史性决定：正式将秒的定义改为“铯-133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间”。这个看似复杂的定义，意味着人类的时间标准正式从宏观的天文观测，转向了微观的量子世界。从此，秒成为了一个源自原子物理的量子时间单位，而非地球自转的派生量。

从看得见的光中提取时间

原子钟的出现，革命性地改变了时间计量方式。在中国科学院国家授时中心，数十台原子钟组成钟组，通过原子钟集体决策机制产生最稳定的时间信号。这些精密设备的准确度令人惊叹，在138亿年的漫长时间里，它们的误差不会超过1秒。

然而，科学的脚步从未停歇。在量子通信、深空导航、引力波探测乃至验证爱因斯坦广义相对论等前沿领域，哪怕“10的负16次方”秒的微小误差，也足以让实验功亏一篑。传统的铯原子钟，已经逼近技术极限，科学家们迫切需要更精准的“时间尺”。

于是，科学家们开启了一场关乎全人类时间基准的革命，用光来重新定义一秒。这就是光学原子钟。

理解光学原子钟为何更精准，其实很简单：它“数数”的速度更快。传统的铯原子钟使用微波频率，在 10⁹Hz量级，可理解为每秒振动十亿次；而光学原子钟使用的可见光频率，高达 10¹⁴–10¹⁵ Hz，每秒振动上百万亿次。这就像用更精细刻度的尺子来测量长度，光钟在同样时间内能“数”出更多的时间刻度，自然就更加精确。

为了实现这种极致精度，科学家们通过激光冷却光学原子钟，将锶、镱或铝等原子降至接近绝对零度，然后用超稳定激光探测它们的共振频率。一台顶尖的光学原子钟，精度已经可达 10⁻¹⁸，也就是说，即使从宇宙诞生之初开始计时，到现在137亿年过去，，它的累计误差还不到一秒。

全球对表：让世界同步到同一秒

要让全世界都按照同一个“秒”走时，仅靠单台光学原子钟还不够。来自不同国家、基于不同原子原理的光学钟，必须经过精密的频率比对，才能确认彼此的“步调一致”。这项看似简单的“对表”工作，实际上是一场横跨六国、连接十台尖端光学钟、持续数年的国际合作。2022年，来自六个国家的科学家协同运行十台光学钟，通过地下光纤与太空卫星组成的双链路，对它们的频率比值进行了系统性比对。

这次大规模比对共获得38组关键数据，其中4组为首次测得，精度达到 10⁻¹⁸量级，创造了时间一致性测量的新纪录。

各钟之间的连接方式及其地理分布

（图片来源：参考文献[1]）

比对过程充满挑战。光纤链路如同横跨欧洲的“时间高速公路”，传输误差极低；卫星链路虽能覆盖更广，却容易受大气、电磁环境的干扰。更奇妙的是，根据爱因斯坦相对论，引力会影响时间流速——即便只是几百米的海拔差，也足以让时钟频率产生可测量的变化。为此，科研团队借助地球重力场模型，对每一台钟都进行了精细的“引力红移修正”，相当于把所有钟表统一调整到同一个参考平面上，确保这场全球对表的公平与准确。

结语

从古人观星测影，到现代原子共振，人类在与时间的赛跑中不断刷新自己的测量极限。每一次时间定义的更新，都是科技进步与认知深化的印记。

原子钟的出现，让秒从天文概念走入了量子世界，使时间成为可以被稳定复制的物理常数。而如今，科学家又迈向更高的精度边界，利用可见光频率的光学原子钟，把时间的刻度细化到亿亿分之一秒。

重新定义秒，不仅是为了让钟表更准，更是人类探索自然规律的一次跃迁。它让我们有能力在引力波的涟漪中捕捉信号，在深空中测量飞船的微小偏移，也让全球通信、导航、金融系统同步到同一节拍。每一次更精准的秒，都让世界运转得更稳，也让我们离宇宙的本质更近一步。

参考文献：

[1] Lindvall, Thomas, et al. "Coordinated international comparisons between optical clocks connected via fiber and satellite links."Optica12.6 (2025): 843-852.

[2] Sherrill, Nathaniel, et al. "Analysis of atomic-clock data to constrain variations of fundamental constants."New Journal of Physics25.9 (2023): 093012.

[3] Roberts, Benjamin M., et al. "Search for transient variations of the fine structure constant and dark matter using fiber-linked optical atomic clocks."New Journal of Physics22.9 (2020): 093010.

[4] Chou, Chin-Wen, et al. "Optical clocks and relativity."Science329.5999 (2010): 1630-1633.

[5] Takamoto, Masao, et al. "Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks."Nature photonics14.7 (2020): 411-415.

出品：科普中国

作者：杨超（中国科普作家协会会员、博士）

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