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真诚提问,一秒为什么是一秒

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时间的长度,由谁决定

1967年,来自全世界的科学家聚集在印度新德里,一起探讨一个问题:一秒钟究竟有多长。

实际上,这种乍一看似乎有点闲的讨论,在不到三百年的时间内,已经出现了三次,每次似乎都大费周章。

到底为什么要纠住一秒钟不放?时间的长度,究竟是谁来规定的?

一秒钟有多长,谁说了算

面对这个问题,大多数人有自己的答案:手表秒针走一格是一秒钟,打卡迟到与不迟到之间的微妙间隔也是一秒钟。

而对于现代科学而言,秒是一个可以用量子力学计算的单位,计算方法可以简单理解为铯133原子在特殊条件下振荡91亿多次的时间[1]。

然而,真正的问题可能是,这些时间长度都是由谁来决定的?为什么铯133原子要振荡那么多次才是一秒?


一秒钟很快,但这是怎么定下来的? / 图虫创意

和小时、分钟一样,关于一秒钟最早的判断,来自于太阳的东升西落,也就是地球的自转。那个时候的一秒钟,还是一个根据一天24小时人工计算出的量[2]。

按照这个计算,1820年,一秒钟有了一个新的名字,大家叫它“平太阳秒”[2]。

然而,随着科学的进步,人们发现一天的长度并不能简单粗暴地等同于86400秒,原来地球的自转运动并非等速进行,甚至每一天的时间长度都有着极其微小的变化[3]。

尽管后来可以根据公转测定时间,但为了得到更方便、更精准的一秒钟,人们对一秒钟的规定从天文转向了量子力学。


关于时间的判断,离不开太阳的东升西落 / 图虫创意

原来,在一定条件下,迁跃的原子会发生稳定的、持续的振荡,就像钟表一样。于是,经过一系列苛刻的条件筛选,寿命长的、高振荡频率的铯133原子脱颖而出,由它构成了最新的一秒钟[1]。

而科学家之所以花如此长的时间,去纠结一秒钟的长度,就是因为一秒钟对人类的意义,远不止于几个数字而已。

为了算清一秒钟,人类付出太多

作为物理的七个基本单位之一,秒不仅仅是是目前人类当前科技水平下可以测量得最精准的物理量,更是一些学科高精度测量中的基本参量[2]。

每一代人,不论是理论研究,还是时间计量工具的改进,都在为了更精确的时间测量,冥思苦想、精益求精地贡献着自己的一生。


时间将生活切割为不同的部分,我们依据时间安排自己的日程 / 视觉中国

最早的时间计量工具依靠太阳、或水流的速度工作,比如日晷、刻漏,每天的时间误差需要以分钟计。直到1088年,我国宋代天文学家苏颂发明了水运仪象台,每天的计时误差仅为100秒[2]。

几百年后,机械钟的出现,成为了时间计量史上的一件大事,1657年,惠更斯利用伽利略发现的单摆的等时性,发明了人类历史上第一台正规的机械钟,钟摆每摆动一次为一秒,此时一天的误差已经降到了10秒左右[2]。

从这时开始,钟表的精确度就像开了挂,伴随着启蒙运动和工业革命的到来一起腾飞。等到100多年后的1759年,约翰·哈里森制造出的航海表,每天的误差仅为1秒,此时的钟表上第一次出现了秒针[2]。

从此,为了提高计时工具的准确度,人们不断打磨着机械表的每一个部位。


航海表的出现,为人们海上航行提供了便利 / 图虫创意

从一开始利用重力作为动力的古早的动力钟,到后来发条带动的手表、闹钟,匠人的努力,让钟表从一开始的庞然大物,体积变得越来越小,内中的擒纵器越来越精密,由游丝、摆轮、齿轮、螺丝等小小的部件,控制着每一秒钟的精确走时。

这些小部件的每一个微小改变,都能让时间的精确度向前走一步。

比如游丝,游丝就像一个弹簧,像蚊香一样盘在表内的摆轮周围,控制着摆轮的振动周期,摆轮每旋转一次,就是钟表的一次“滴答”,游丝和摆轮像心脏一样控制着齿轮和指针的运转,代表整个手表的精准度。

如果游丝的弹性发生0.1%的变化,就会造成最高可达每天一分钟的误差。因此,好的游丝,要有良好的弹性和超强的稳定性,在不同的温度、湿度、磁场下,都能保持稳定。


一个微小的部件,可能对精确度起着重要作用 / 图虫创意

1896年,瑞士科学家居尔·劳密发明出铁镍合金的游丝,其膨胀系数极低,能够在很大的温度范围之间,保持一定长度,也是过去几十年游丝的主要材质。

后来的游丝中,不断加入其他金属,来加强铁镍游丝的性能。然而,这类材料仍然会发生较小程度的蠕变,也会留存少量的磁性,影响计时的准确度。

能够避免这些的元素并不是没有,比如硅,硅没有磁性,也不会发生蠕变。在温差较大时也能保持稳定的弹性。

之所以很长时间内没有实现量产,就是因为相比合金,硅更难加工。直到有工程师采取深反应离子蚀刻(Deep reactive-ion etching,DRIE)技术,制造出可以工业化生产的硅游丝,硅才得到广泛运用。


老式怀表游丝 / 视觉中国

对于先进的硅游丝来说,硅材质轻盈耐磨,不易受磁、被腐蚀,不易受热膨胀,为钟表运行的精准性和稳定性做出了杰出的贡献。不久之后,随着游丝等技术的精进,人们日常佩戴的手表中也开始使用硅游丝,陪伴在我们身边的时间越来越精准。

是的,这些科学理论和计时工具的发展,一直不断地影响着日常生活,让人类的生活方式、时间观念悄悄发生着改变。

一秒钟的概念,改变了世界

在机械表将时间计量得越来越精细时,社会的节奏也随之加速。以前以小时、时辰计的时间约定,现在开始精确到分钟、甚至秒钟[4]。

约定好时间的会议,晚到总是会造成不好的影响;赶火车、赶飞机,不提前计算好时间很容易就会误机误车,世界变得更加守时。

随着“掐时间”成为现代人的日常,手表、钟表指针的每一次旋转,都成为时间流逝的标志,手表上的每一秒钟,都是所有人离不开的日常生活。


掐时间赶日程是部分当代人的必修课 / 图虫创意

为了更准确地记录和测量这一秒钟,创立于1832年的浪琴表,以丰富多样的时计、与时俱进的技术更迭,不断融合精准表现与优雅风格,对传统、优雅和性能的不懈追逐,成就了百年制表工艺。

为坚守悠远的制表传统,浪琴表在2005年推出了名匠系列腕表,这个系列凝聚着累积了近百年的匠心精神与灵魂。名匠系列手表从飞行表衍生而来,所传承的飞行手表清晰的读时、大表冠、可靠的机芯等设计特征,也保留在如今的名匠系列表款中。


在名匠系列诞生之初,浪琴就为其装备了当时品牌最复杂的多功能机芯L678,其推出的热销款名匠系列全历月相自动上链计时款,组合了常规时间、秒钟计时、分钟及小时总计时、日历、周历、月历、月相等近十项功能,仅仅表盘上各司其职的指针就有八根之多,被大家称为“八针名匠”。2019年,全新名匠系列月相腕表搭载了全新机芯L899,也受到大家的喜爱。


在今年,浪琴诞生190周年之际,浪琴表推出三款名匠系列纪念款腕表,彰显品牌的深厚制表传承。全新表款融合优雅风格和卓越性能,提供黄金和玫瑰金,以及精钢,三种材质可供选择,其中18K黄金和18K玫瑰金两款腕表各限量发行190枚。





全新名匠系列190周年纪念腕表,以精湛制表工艺和考究细节,深刻凸显了浪琴优雅风格。深灰色颗粒表盘、灰色拉丝表盘或银色喷砂表盘经特殊处理,彰显匠心工艺细节。精巧的复古篆刻阿拉伯数字时标,呈现独特美感。优雅的玫瑰金色、金色和蓝色精钢指针指示时、分、秒,打造简约大气的表盘。直径40毫米的圆形表壳呈现标志性轮廓。透明表背刻有190周年纪念文字,诠释品牌精湛制表工艺。触感柔软的烟灰色皮革表带充满上乘质感,打造浑然一体的和谐美感。

不仅如此,前面提到的能够让计时更加精准的硅游丝,浪琴就使用在了名匠系列190纪念款腕表里。硅游丝位于表内置的L888.5自动上链机械机芯中,不易受热膨胀,不易受磁、被腐蚀,提升了腕表的精度和寿命。机芯中还内置21颗宝石轴承,减少关键点的摩擦,令这款表走时更加稳定,动力储存约可达72小时,浓缩精纯制表传统与匠心制表工艺。


与此同时,一秒钟的概念还体现在其他纪念品中。浪琴携手中国青年艺术家刘佳玉,以“190”为灵感,首度推出系列数字艺术纪念品《5991840000》,这串数字,也正好定格自1832年品牌创立以来的第5991840000秒。

以飞翼沙漏中的沙漏为灵感来源,以中国西南部“日照金山”的壮观景象为艺术创作概念,将细沙般流动的光粒子代表时间流逝,映射在浪琴表诞生地瑞士汝拉山脉,打造出系列数字艺术纪念品,致敬品牌190年时光传承,这是时间的另一种表达。

该系列作品共包含三类数字艺术纪念品,包含动态影像、逐帧图片、3D模型等多重数字媒体形式。

其中,为纪念名匠系列190周年纪念款腕表的推出,浪琴表专门打造数字艺术纪念品限量特别版。动态影像数字艺术纪念品专为名匠系列190周年纪念款18K黄金和18K玫瑰金腕表打造,链接虚拟与现实,将日照金山连续动态影像划分出14个片段,该类数字艺术纪念品限量发放14份。


名匠系列190周年纪念款腕表精钢款数字艺术纪念品,则以逐帧图片的形式呈现,每一帧皆截取自日出前的宁静定格画面,700张图形序列呈现出流动的山脉,定格每一刻钻研求索、不断攀登的先锋精神。该类数字艺术纪念品限量发放700份。即日起至2023年3月20日,前往官方指定渠道购买浪琴表名匠系列190周年纪念款腕表,即有机会获得190周年数字艺术纪念品限量特别版。

凭借横跨数世纪的丰富制表经验,浪琴表在技术制表领域展现了先锋地位,始终履行持续创新的承诺。浪琴还将陪伴下一个时代,不断记录着一秒钟的长度。

参考文献:

[1]王棡. (1990). 秒的定义及其演变. 物理(07), 430-434.

[2]倪广仁, 和康元, 杨廷高. (2004). 时间单位——秒定义的由来和沿革(上). 中国计量(09), 47-48.

[3]新华报业. (2020). 新知|一秒有多长?你以为的“一瞬间”有多快?

[4]吴国盛. (2006). 时间的观念. 北京大学出版社.

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