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科学|新知｜一秒有多长？你以为的“一瞬间”有多快？


来源：交汇点新闻客户端
交汇点讯 寒暑易节 ， 物换星移 ， 宇宙中一切物质的起源与消失 ， 世界上一切事物的诞生与灭亡 ， 都与时间息息相关 。 “嘀嗒嘀嗒” ， 在分针与秒针不断交错间 ， 时间一秒一秒流逝 。 然而 ， 一秒到底有多长？我们平时所说的“时间”是如何测量的？如何捕捉飞秒数量级的瞬间？司空见惯的“时间”背后隐藏着许多鲜为人知的“秘密” 。

科学|新知｜一秒有多长？你以为的“一瞬间”有多快？
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一秒到底有多长
当你一字一句阅读到这里时 ， 时间已经流逝了20秒 。 作为最常用的时间单位之一 ， “秒”常常以周期性运动的时间来定义 。 然而 ， 几个世纪以来 ， 关于“1秒究竟有多长”这个问题 ， 科学家们也在不断探索中 。中国科学院国家授时中心科技处科普主管刘永鑫在接受《新华日报·科技周刊》采访人员采访时表示 ，20世纪中叶 ， 时间标准则规定一个平太阳日的86400分之一为1秒 。 然而 ， 地球的自转运动并非等速进行 ， 认识到这个问题后 ， 秒的定义再次被修改 。 科学家们将地球绕太阳的公转周期(即回归年)作为确定时间单位的基础 ， 自历书时1900年1月1日12时起算的回归年的1/31,556,925.9747为一秒 。由于天体测量精度的不断提高 ， 回归年的时长受其他天体的影响不断变化 ， 时间测量精度不断提高 ， 天文方法不再适合作为秒定义来使用 ， 所以在1967年的第13届国际度量衡会议上 ， 人们决定以原子时定义的秒作为时间的国际标准单位 ， 即铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间 。 刘永鑫表示：“随着现代计时精度的不断提高 ， 未来秒定义很有可能根据现在测量精度最高的光钟作为基准 。 ” 确定了一秒的时长 ， 许多人不禁想问：1天=24小时=1440分钟=86400秒吗？答案是否定的 ， 最新研究表明 ， 每一天的时间长度都有着极其微小的变化 。 不久前 ， 我国科研人员首次发现了日长变化中存在约8.6年周期的显著振幅增强信号 ， 并首次发现该振荡的极值时刻与地磁场快速变化的发生存在密切的对应关系 ， 其研究成果已在线发表于《自然·通讯》 。
“利用标准小波时频变换方法 ， 我们分析国际地球自转服务系统（IERS）提供的近60年高精度日长数据得出：日长变化除了之前认为的存在约0.12毫秒的6年周期变化外 ， 还存在振幅约0.08毫秒的8.6年周期变化 ， 并且该信号在过去的近60年内振幅在不断增强 。 ”论文第一作者、中国科学院上海天文台副研究员段鹏硕告诉《新华日报·科技周刊》采访人员 ， 一天并非是精确的24小时 ， 从一个较大的时间尺度上分析 ， 日长正在逐渐变长 。
为什么要精准测量“这一秒”
时间是人类古代文明历史的主线 ， 而“观象授时”是人类祖先感受和认识时间的重要手段 。 刘永鑫介绍 ， 上古时期 ， 人们通过观察太阳在远山上升起的位置来确定一年中的时节 ， 指导农耕 。 借助太阳投影的位置的变化 ， 人们发明圭表、日晷为代表的太阳钟 ， 测定一日的时刻；而香钟、蜡钟为代表的火钟 ， 铜壶滴漏为代表的水钟 ， 则是在没有太阳的时候方便人们测量时间 。
随着人们对计时精度要求的不断提高 ， 人类发明出了一系列测量时间的精密仪器 ， 如机械钟、电钟、石英钟、原子钟 ， 光钟等 。 其中 ， 最具代表性就是原子钟 。 东南大学物理学院董帅教授接受《新华日报·科技周刊》采访人员采访时表示 ， 简单来说 ， 原子钟的工作原理是利用原子不同能阶间跃迁 ， 从高能级跳到低能级 ， 发出一个光子 ， 用这个频率来定义时间 。 “原子钟的好处是非常精准 。 我们日常生活中绝大多数场合不需要这么精准的时间 ， 但在某些特殊场合则非常重要 ， 如全球卫星定位系统利用光速的无线电信号定位 ， 一丝一毫的时间偏差 ， 都会影响定位的精准度 。 ”董帅说 。
除了原子钟 ， 自2002年以来 ， 光钟研究成为国际计量科学发展的一个新热点 。 刘永鑫引用《科学》杂志此前报道的研究成果 ， 光钟将能提供“对物理世界更细致的观察” 。 他以锶原子光晶格钟举例 ， 在它的激光束中 ， 每一个光学晶格都拥有上千个中性锶原子 ， 而这种中性锶原子每秒可进行430万亿次的“滴答” 。 与原子钟的仅一个离子在量子态下来回翻转不同的是 ， 锶原子光晶格钟可在每一次“滴答”中能够产生上千个原子的波动 ， 这无疑让后者在更短的时间内就能达到跟前者一样的精准度 。 据了解 ， 锶原子光晶格钟50亿年才会产生1秒误差 ， 有望成为新一代秒定义的标准 。 刘永鑫认为：“总的来说 ， 人们测量时间的方式可以视作是从天文转向机械振荡 ， 再转向电子振荡 ， 再到原子跃迁 ， 而随着脉冲星计时的发展 ， 人们测量时间的方法又回归到天文 。 ”
所谓“一瞬间”究竟能有多快
一滴水从高处落入水面 ， 我们仅仅能看到坠落而下的水滴 ， 却很难察觉到原本平静的水面因这个“不速之路”而引起的“波澜”——坠落、跃起、破碎、变小 ， 如此反复 。 为什么我们无法捕捉到这么细致的画面？“这是因为我们眼睛的一个重要特性是视觉暂留 ， 即光象一旦在视网膜上形成 ， 视觉将会对这个光象的感觉维持一个有限的时间 ， 这是一种生理现象 ， 是神经系统的属性 。 ”董帅解释 ， 对于中等亮度的光刺激 ， 视觉暂留时间约为0.05至0.2秒 。 在生活中 ， 通常我们所看到的所谓“瞬间” ， 其实大多大于0.1秒 ， 如果再快人眼就没有办法分辨了 。
一般来说 ， 电影、电视的帧数大约一秒25～30帧 ， 即在一秒钟内把25～30幅图片连起来形成动态视频 ， 这样我们凭借肉眼看上去感觉就是连续的 。 据了解 ， 一般家用摄像机每秒最多能达到100帧 ， 高速摄像机可以达到1000～10000帧/秒的速度记录 ， 而有些军方专用的高速摄像机甚至可以达到1百万～1千万帧/秒 。 你以为已经够快了吗？“实际上 ， 在真实微观的分子世界 ， 分子内原子之间的相对振动要快的多 。 一个振动周期只有几个到几十飞秒 ， 运动速度大约在105米/秒量级 。 ”中国科学院大连化学物理研究所研究员刘建勇告诉《新华日报·科技周刊》采访人员 ， 实际化学反应中分子结构发生变化的时间范围可以达到皮秒（10-12秒） ， 甚至飞秒数量级 。 “飞秒是一个非常小的时间单位 ， 1飞秒等于10-15秒 。 在1飞秒的时间内 ， 光在空气中也只能向前传播大约0.3微米 。 ”
刘建勇表示 ， 如果我们想要给分子运动“拍动画” ， 那么可能就需要用到飞秒激光技术 。 当我们把一束飞秒激光脉冲照射到分子上 ， 用分子与这束激光相互作用产生的分子光谱、电子能谱等信号来表征分子结构状态时 ， 测量仪器上就可以记录下激光脉冲持续的这极短时间内分子的结构状态产生的信号 。 “这和在漆黑夜里一束闪电闪过时 ， 我们看到的相对静止的景象是类似的 ， 都是超短的光脉冲对时间进行的‘切片’ 。 每发射一个脉冲 ， 就如同按下了一个具有飞秒量级时间分辨的相机快门 ， 这样就可以将分子变化的‘一瞬间’记录下来了 。 ”刘建勇说 。交汇点采访人员 谢诗涵

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