長安十二時辰，每一刻權謀算計都是驚心動魄，可是為什么只把時辰做題眼，而不能叫做《長安心跳暴擊86400秒》呢？無他，千年之前的長安人心目中，再急再險，也只能到時辰而止了，因為“一秒鐘”這個概念，還沒有誕生。

長安十二時辰海報

“一秒鐘”從無到有，經歷了不少隱藏的故事。同學們，長安眾人，雷佳音、易烊千璽的恩怨情仇已然落幕，多少繁華往事盡歸塵土；但時間的故事還在繼續(xù)，就讓我慢慢給大家說一說吧。

國際主單位制和七個基本物理量

在開始時間的故事之前，我們先來幾個知識點熱熱身。知識量豐富的同學，可以直接跳過，從第二段開始閱讀。

物理學示意圖

日常生活中，我們會接觸到各種“物理量”，無論你是否知道它們背后的含義，你都得和這些概念打交道。例如：長度（距離）、質量、時間、溫度、力、能量、功率等等。長安十二時辰中的——時辰，就是時間的物理量。

科學的發(fā)展從來不是一個地區(qū)或者一個國家能夠獨立支撐的，大家得能聽懂和讀懂別人的研究成果很重要。簡單的說，就是要建立一套國際通用的標準體系，方便大家交流學習?？茖W離不開實驗，實驗離不開測量和記錄，于是計量體系被最早的提到國際標準日程上來討論，由此誕生了稱為“國際單位制”，用于準確規(guī)定每個物理量和它們的單位。

國際單位制中，最重要的一項成果就是規(guī)定了七個基本物理量和它們的“主單位”，并給出了這七個主單位的標準定義，其它物理量都可以通過這七個基本物理量計算得到。

七個基本物理量和它們的主單位

這七個基本物理量和它們的主單位分別是：時間單位 秒（s）、長度單位 米（m）、質量單位 千克（kg）、電流強度單位 安培（A）、熱力學溫度單位 開爾文（K）、物質的量單位 摩爾（mol）、發(fā)光強度單位 坎德拉（cd）。

我們今天要重點展開的就是時間的主單位——秒。

科學時代前夜與一秒鐘

如果同學們早出生20000年，絕對沒有一點點時間緊迫的煩惱。在原始社會或者農耕文明中，捕獵、采摘果子和種田，才是大家人生的主旋律。日出而作日落而息是各位同學對于時間的最直觀認知，時間用一天的長度來衡量，對于我們來說，剛剛好。至于一秒鐘這個概念，在當時的語境中是毫無意義的。誰去追逐野獸種田插秧還規(guī)定早八點得打卡呢？

時鐘調到500年前，有幸進入皇宮打工的各位同學，這時候有可能碰到小時制，中國人在古代發(fā)明的計時工具日晷，已經能夠細致到一個時辰（兩小時），但和“一秒鐘”還是相差甚遠的。

日晷示意圖

時間再往前推移，近代科學的奠基人之一，伽利略，天才的在教堂做禮拜的時候，看到一個巨大的單擺在運動，收此啟發(fā)而洞悉了單擺的周期運動規(guī)律，導致了近代擺鐘的誕生，為“一秒鐘”現世，掃清了最后的障礙?？墒琴だ员救?，做實驗用以計時的方法，還是得用自己的脈搏來計數的。

精美的機械鐘表

鐘擺原理的發(fā)現，迅速催生出近代的時鐘——單擺時鐘的繁榮，為科學測量打開了一扇大門。歸根結底，脈搏也好，單擺也罷，它們都利用了最基本的一個物理特性——物質最小振蕩周期。正是從振蕩周期出發(fā)，我們定義出時鐘里最小的時間長度單位，也是7大物理主單位——時間長度單位——秒。

地球的自轉與一秒鐘

傳說中，古巴比倫人用的是60進制和24進制。一天分為24小時，一小時有60分鐘，一分鐘60秒。這很可能是最原始和粗糙的秒概念的源頭。

1820年法國科學院正式提出：將一個平均太陽日的1/86400作為一秒，我們把它正式稱作世界時秒。

地球自轉與公轉示意圖

牛頓的世界觀，這是已經是世界的主流，科學家已經可以準確的了解地球作為宇宙天體一部分而存在的事實。

時間單位的定義，其實就是利用了地球的自轉周期以及公轉周期。也是當時可以想象利用到的最穩(wěn)定的周期振蕩源了。利用地球自身的周期性往復運動，人類利用太陽系天鈡鎖定了時間概念的主單位。

好比人民幣掛鉤美元鎖定匯率，就能保持經濟穩(wěn)定；將地球本身這么大的存在與“一秒鐘”相鎖定，就稱得上靠譜了呢？

隨著人類科學的發(fā)展，科學家們很快就傻眼了。因為我們發(fā)現，不但美國經常不靠譜，地球自轉這件事情本身，在精密的測量面前，同樣是一件非常不靠譜的事情。

地球

地球的自轉，隨著測量技術的進步，我們知道，地球自轉軸與黃道面成66.34度夾角，與赤道面垂直，地球自轉的平均角速度為 4.167×10-3度/秒。

但要命的事情接著發(fā)生了，我們同時發(fā)現，地球自轉一周耗時23小時56分，約每隔10年自轉周期會增加或者減少千分之三至千分之四秒。簡單的說，地球自轉存在一定的不規(guī)則變化，總體上呈現減慢的趨勢。

這其實不算新發(fā)現，只能算補了個實錘。因為，日歷上的平年閏年，就是為了平衡地球日平均變化而產生的。

最嚴重的事實是，這樣定義之后，我們一秒鐘的準確度，最高只能到達10^-8 秒。

量子力學與一秒鐘

19世紀末，英國已經誕生了地鐵，大家的主流職業(yè)也早已不是野外追逐野獸或者種田了，早上能否準時打卡上班才是正途。大家要趕上不同國家或者地區(qū)的同一班列車，摸出的懷表，如果有10^-8 秒的時間偏差，我相信99.99%的同學都不會有牢騷怨言。

可是，物理學偏偏在這個時間段發(fā)生了翻天覆地的變化，量子力學和相對論打開了物理世界的新的大門，人類將直面原子世界的真相和宇宙時空的奧秘。

10^-8 秒的最大準確度，對于躊躇滿志的科學家來說，足夠了嗎？

宇宙的奧秘

我不知道大家有沒有讀過《宇宙最初三分鐘》，科學家們玩宇宙大爆炸，已經研究到可以為了最初三分四十六秒內發(fā)生的事情，寫出166頁書的程度了，但是你告訴我一秒鐘的定義只到10^-8 秒有效？你直接讓霍金們失業(yè)得了。

事情當然不會到此為止，量子力學讓科學家對于粒子世界的規(guī)律有了巨大的突破，很快就有人將這些突破落到了實處。NIST的美國物理學家哈羅德·萊昂斯 (Harold Lyons)于1949年利用氨分子的振動制造出了第一架原子鐘。簡單的說，由1個氮原子和3個氫原子組成一個很像三菱錐的氨分子。這些原子振動速度極快，1秒鐘內發(fā)生240億次?？梢源蟠筇岣呙氲木_度。

量子躍遷示意圖

1967年，國際計量大會決定采用銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷相對應輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間定義為1秒。并且還規(guī)定，按1900年為平均太陽年。秒定義為：1秒為平均太陽年的1/31556925.9747。

這里的銫鐘指的是實驗室型大銫鐘，例如：德聯(lián)邦的“聯(lián)邦技術物理研究院”的PTB-CsI、美國國家標準局的NBS-6及加拿大國家研究院的NRC-CsV；它們的準確度均已達到10^-14量級。

銫鐘大概長這樣

我們的科學家一下子又可繼續(xù)愉快的玩耍了。

時間的本質到底是？

時間的主單位秒，經歷了這么多風雨之后，終于暫時穩(wěn)定了下來，至今也有50多個年頭了。

但是如果同學們對其余的物理主單位仔細梳理一遍的話，會發(fā)現，秒——仍然沒有通過基本物理規(guī)律或常數來定義。

現在開始我們的腦洞時間，很多對物理學執(zhí)著的到這里人會有一個疑惑，那就是時間的本質到底是什么？

時間的本質

最新定義中的時間——秒，它仍然是通過客觀世界中某個事物的周期性運動來定義，這同最早期的機械鐘擺相比，無可爭議是一個飛躍，但是究其本質卻仍舊一樣。無論是最早的通過地球自轉，后來又改進為地球的公轉，直到今天，我們憑借量子力學對微觀量子的深刻認知，但也只是繼續(xù)通過特定頻率光的周期性震動來定義時間。

時間仍然擺脫不了某種事物的周期性運動，停留在具體物質層面。好比以前通過制造出標準的一公斤“國際千克原器”來定義“一公斤”，但凡是停留物質層面的定義，其自身都隱藏著不穩(wěn)定性。

時間這個物理量非常重要，除了物質的量的單位摩爾以外，其它5個主單位的定義都依賴時間單位的定義。

愛因斯坦，對，又是我

根據愛因斯坦的狹義相對論，同時性是相對的；根據廣義相對論，愛因斯坦認為，時間的流逝受到引力場的影響，時間節(jié)奏本身就充滿了不確定。

時間的定義并不穩(wěn)定

從廣義相對論出發(fā)，我們甚至不能確定，銫原子鐘震蕩的每個周期的時間都是等長。這種依賴周期性運動而定義的時間，還存在著很大的認知空白，我們離時間的本質，還有很長的距離等待前進。

革命尚未成功，同學仍需努力！

結語

長安十二時辰已經落幕，劇中眾人命運，雷佳音也好，易烊千璽也罷，無論悲喜，都將迎來屬于自己的結局，成為歷史。

不管時間到底是什么，我們也不知道時間最終還剩下多久，但它一定是有限的，所以，請抓緊時間去忙你真正想做的事情吧，時間正在流逝，一秒鐘都不值得你去浪費。

無論時間本質如何，請珍惜時間

照例留個小尾巴，同學們，你覺得“時間晶體”到底是個啥呢？歡迎留言討論。

時間晶體示意圖

我是貓先生，專注你能愉快閱讀的科普，真誠點贊，手有余香，感謝閱讀。