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长安十二时辰，每一刻权谋算计都是惊心动魄，可是为什么只把时辰做题眼，而不能叫做《长安心跳暴击86400秒》呢？无他，千年之前的长安人心目中，再急再险，也只能到时辰而止了，因为“一秒钟”这个概念，还没有诞生。  长安十二时辰海报 “一秒钟”从无到有，经历了不少隐藏的故事。同学们，长安众人，雷佳音、易烊千玺的恩怨情仇已然落幕，多少繁华往事尽归尘土；但时间的故事还在继续，就让我慢慢给大家说一说吧。 国际主单位制和七个基本物理量在开始时间的故事之前，我们先来几个知识点热热身。知识量丰富的同学，可以直接跳过，从第二段开始阅读。  物理学示意图 日常生活中，我们会接触到各种“物理量”，无论你是否知道它们背后的含义，你都得和这些概念打交道。例如：长度（距离）、质量、时间、温度、力、能量、功率等等。长安十二时辰中的——时辰，就是时间的物理量。 科学的发展从来不是一个地区或者一个国家能够独立支撑的，大家得能听懂和读懂别人的研究成果很重要。简单的说，就是要建立一套国际通用的标准体系，方便大家交流学习。科学离不开实验，实验离不开测量和记录，于是计量体系被最早的提到国际标准日程上来讨论，由此诞生了称为“国际单位制”，用于准确规定每个物理量和它们的单位。 国际单位制中，最重要的一项成果就是规定了七个基本物理量和它们的“主单位”，并给出了这七个主单位的标准定义，其它物理量都可以通过这七个基本物理量计算得到。  七个基本物理量和它们的主单位 这七个基本物理量和它们的主单位分别是：时间单位 秒（s）、长度单位 米（m）、质量单位 千克（kg）、电流强度单位 安培（A）、热力学温度单位 开尔文（K）、物质的量单位 摩尔（mol）、发光强度单位 坎德拉（cd）。 我们今天要重点展开的就是时间的主单位——秒。 科学时代前夜与一秒钟如果同学们早出生20000年，绝对没有一点点时间紧迫的烦恼。在原始社会或者农耕文明中，捕猎、采摘果子和种田，才是大家人生的主旋律。日出而作日落而息是各位同学对于时间的最直观认知，时间用一天的长度来衡量，对于我们来说，刚刚好。至于一秒钟这个概念，在当时的语境中是毫无意义的。谁去追逐野兽种田插秧还规定早八点得打卡呢？ 时钟调到500年前，有幸进入皇宫打工的各位同学，这时候有可能碰到小时制，中国人在古代发明的计时工具日晷，已经能够细致到一个时辰（两小时），但和“一秒钟”还是相差甚远的。  日晷示意图 时间再往前推移，近代科学的奠基人之一，伽利略，天才的在教堂做礼拜的时候，看到一个巨大的单摆在运动，收此启发而洞悉了单摆的周期运动规律，导致了近代摆钟的诞生，为“一秒钟”现世，扫清了最后的障碍。可是伽利略本人，做实验用以计时的方法，还是得用自己的脉搏来计数的。  精美的机械钟表 钟摆原理的发现，迅速催生出近代的时钟——单摆时钟的繁荣，为科学测量打开了一扇大门。归根结底，脉搏也好，单摆也罢，它们都利用了最基本的一个物理特性——物质最小振荡周期。正是从振荡周期出发，我们定义出时钟里最小的时间长度单位，也是7大物理主单位——时间长度单位——秒。 地球的自转与一秒钟传说中，古巴比伦人用的是60进制和24进制。一天分为24小时，一小时有60分钟，一分钟60秒。这很可能是最原始和粗糙的秒概念的源头。 1820年法国科学院正式提出：将一个平均太阳日的1/86400作为一秒，我们把它正式称作世界时秒。  地球自转与公转示意图 牛顿的世界观，这是已经是世界的主流，科学家已经可以准确的了解地球作为宇宙天体一部分而存在的事实。 时间单位的定义，其实就是利用了地球的自转周期以及公转周期。也是当时可以想象利用到的最稳定的周期振荡源了。利用地球自身的周期性往复运动，人类利用太阳系天鈡锁定了时间概念的主单位。 好比人民币挂钩美元锁定汇率，就能保持经济稳定；将地球本身这么大的存在与“一秒钟”相锁定，就称得上靠谱了呢？ 随着人类科学的发展，科学家们很快就傻眼了。因为我们发现，不但美国经常不靠谱，地球自转这件事情本身，在精密的测量面前，同样是一件非常不靠谱的事情。  地球 地球的自转，随着测量技术的进步，我们知道，地球自转轴与黄道面成66.34度夹角，与赤道面垂直，地球自转的平均角速度为 4.167×10-3度/秒。 但要命的事情接着发生了，我们同时发现，地球自转一周耗时23小时56分，约每隔10年自转周期会增加或者减少千分之三至千分之四秒。简单的说，地球自转存在一定的不规则变化，总体上呈现减慢的趋势。 这其实不算新发现，只能算补了个实锤。因为，日历上的平年闰年，就是为了平衡地球日平均变化而产生的。 最严重的事实是，这样定义之后，我们一秒钟的准确度，最高只能到达10^-8 秒。 量子力学与一秒钟19世纪末，英国已经诞生了地铁，大家的主流职业也早已不是野外追逐野兽或者种田了，早上能否准时打卡上班才是正途。大家要赶上不同国家或者地区的同一班列车，摸出的怀表，如果有10^-8 秒的时间偏差，我相信99.99%的同学都不会有牢骚怨言。 可是，物理学偏偏在这个时间段发生了翻天覆地的变化，量子力学和相对论打开了物理世界的新的大门，人类将直面原子世界的真相和宇宙时空的奥秘。 10^-8 秒的最大准确度，对于踌躇满志的科学家来说，足够了吗？  宇宙的奥秘 我不知道大家有没有读过《宇宙最初三分钟》，科学家们玩宇宙大爆炸，已经研究到可以为了最初三分四十六秒内发生的事情，写出166页书的程度了，但是你告诉我一秒钟的定义只到10^-8 秒有效？你直接让霍金们失业得了。 事情当然不会到此为止，量子力学让科学家对于粒子世界的规律有了巨大的突破，很快就有人将这些突破落到了实处。NIST的美国物理学家哈罗德·莱昂斯 (Harold Lyons)于1949年利用氨分子的振动制造出了第一架原子钟。简单的说，由1个氮原子和3个氢原子组成一个很像三菱锥的氨分子。这些原子振动速度极快，1秒钟内发生240亿次。可以大大提高秒的精确度。  量子跃迁示意图 1967年，国际计量大会决定采用铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定义为1秒。并且还规定，按1900年为平均太阳年。秒定义为：1秒为平均太阳年的1/31556925.9747。 这里的铯钟指的是实验室型大铯钟，例如：德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-CsI、美国国家标准局的NBS-6及加拿大国家研究院的NRC-CsV；它们的准确度均已达到10^-14量级。  铯钟大概长这样 我们的科学家一下子又可继续愉快的玩耍了。 时间的本质到底是？时间的主单位秒，经历了这么多风雨之后，终于暂时稳定了下来，至今也有50多个年头了。 但是如果同学们对其余的物理主单位仔细梳理一遍的话，会发现，秒——仍然没有通过基本物理规律或常数来定义。 现在开始我们的脑洞时间，很多对物理学执着的到这里人会有一个疑惑，那就是时间的本质到底是什么？  时间的本质 最新定义中的时间——秒，它仍然是通过客观世界中某个事物的周期性运动来定义，这同最早期的机械钟摆相比，无可争议是一个飞跃，但是究其本质却仍旧一样。无论是最早的通过地球自转，后来又改进为地球的公转，直到今天，我们凭借量子力学对微观量子的深刻认知，但也只是继续通过特定频率光的周期性震动来定义时间。 时间仍然摆脱不了某种事物的周期性运动，停留在具体物质层面。好比以前通过制造出标准的一公斤“国际千克原器”来定义“一公斤”，但凡是停留物质层面的定义，其自身都隐藏着不稳定性。 时间这个物理量非常重要，除了物质的量的单位摩尔以外，其它5个主单位的定义都依赖时间单位的定义。 爱因斯坦，对，又是我 根据爱因斯坦的狭义相对论，同时性是相对的；根据广义相对论，爱因斯坦认为，时间的流逝受到引力场的影响，时间节奏本身就充满了不确定。 时间的定义并不稳定 从广义相对论出发，我们甚至不能确定，铯原子钟震荡的每个周期的时间都是等长。这种依赖周期性运动而定义的时间，还存在着很大的认知空白，我们离时间的本质，还有很长的距离等待前进。 革命尚未成功，同学仍需努力！ 结语长安十二时辰已经落幕，剧中众人命运，雷佳音也好，易烊千玺也罢，无论悲喜，都将迎来属于自己的结局，成为历史。 不管时间到底是什么，我们也不知道时间最终还剩下多久，但它一定是有限的，所以，请抓紧时间去忙你真正想做的事情吧，时间正在流逝，一秒钟都不值得你去浪费。 无论时间本质如何，请珍惜时间 照例留个小尾巴，同学们，你觉得“时间晶体”到底是个啥呢？欢迎留言讨论。 时间晶体示意图 我是猫先生，专注你能愉快阅读的科普，真诚点赞，手有余香，感谢阅读。 |
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