最早观天象后来烧炷香，现在我们怎么计时？

　　打从出生，我们就感受着时间流逝。虽然看不见、摸不着，时间却存在于逐渐发黄的信纸、慢慢腐烂的苹果中，也流淌在人们日出而作、日落而息的进程里。
　　所以毫不意外，自古各地都不约而同地开始追踪时间、测量时间、记录时间，建立时间的刻度。
　　天体的秒
　　可靠的时间刻度，需要建立在可重复的周期性事件上。
　　古时候，人们最容易观察到的周期，不外乎白天与黑夜（地球的自转），于是有了天；其次是月的盈亏圆缺（月球的公转），于是有了月；以及气候的循环交替（地球的公转），所以有了年四季节气
　　东西方日晷
　　在这个基础上，当社会需要到更小的时间刻度时，我们也慢慢盯上了一盏茶、一炷香，继而演变出铜壶滴漏、钟摆、杠杆齿轮等规律的计时工具。
　　在早期社会，诸如此类的时间刻度对于耕种、交通等生活场景而言已经充分够用。然而随着人类文明的发展，这些计时方式的刻度既不够细，精确度也不够高，容易受外在因素干扰而不稳定。
　　值得一提的是，任何发生不可逆变化的东西，如腐坏的垃圾、变冷的咖啡、长出皱纹的脸，都可以是时钟。维也纳量子光学与量子信息研究所研究员胡伯表示，熵在这些不可逆的过程中趋于增加，而这可以用来标记时间的流动。
　　只不过时钟不是平等的，一些时钟比其他时钟更可靠。上述的垃圾、咖啡、皱纹就不是很好的时钟，因为它们与周围物质的相互作用是随机的，我们必须对这些过程进行长时间的平均，才能准确确定时间间隔。
　　原子的秒
　　时至今日，人类社会的计时依据已经不再是宏观的天象和器械，而是微观的粒子。
　　比如上世纪40年代用来检验爱因斯坦的相对论的时钟，就不是我们家中的机械电子钟，而是基于子的衰变。由于粒子衰变是自主随机的过程，衰变速度固定、不受外部因素影响，我们可以根据子衰变的进程追踪时间流。
　　后来到1971年，物理学家换了个铯原子钟再次进行验证。
　　铯原子钟是什么原理？今天我们知道，原子里的电子处在不连续的能级（轨道）上；当电子从一个能级跳到另一个能级（即电子跃迁），就会释放吸收相应的电磁波。
　　电子跃迁示意图
　　每种原子都有专属于它的一系列电磁波频率，并且同种原子的频率是固定的。例如铯133原子的特征频率之一就是9，192，631，770Hz（微波波段），不管在哪一个铯133原子上都能观察到这也成为了今天国际上定义秒的节拍器。
　　2001年，科学家以类似的原理，在汞原子上结合先进的激光技术，研制出了全光学原子钟，又称光钟。
　　由于铯原子比较好用的特征频率主要在微波波段，而新型原子钟则是建立在更高频段的辐射，所以光钟能提供更精细的时间尺度。现在世上最精准的光钟如果从宇宙大爆炸之初就开始运作，直到今天只会偏差0。5秒。
　　由此，国际时间频率咨询委员会在2015年提出了修改秒定义的路线图，2026年左右可能会迎来新一轮基于光钟的秒定义。
　　当下，类似的原子振荡是科学家观测到的最稳定周期性事件但原子钟还可以再精准。
　　理论上，原子钟可以利用单一原子的振荡进行计时。不过在微观尺度下，单一原子受限于量子力学的不确定性，唯有经过大量的测量并取其平均，才能体现出它的真正振动频率，这也称作标准量子极限。
　　所以在实际操作中，原子钟一般会对成千上万个相同种类的原子进行测量，再统计出正确数值。不过即便在成千上万的原子里，标准量子极限的不确定性依然存在这时候，曾让科学家苦恼的量子纠缠倒是来了一场神助攻。
　　量子纠缠，简单来说指的是一种粒子与粒子之间的某种性质被绑定；当一方的状态被测出，另一方的状态也瞬时被决定下来，类似一正就一负、一上就一下、一左就一右。
　　麻省理工学院去年底的一项研究指出，处于量子纠缠的原子振荡会围绕一个共同频率收紧，相比于不处于量子纠缠的原子偏差更小，从而让我们测出超越标准量子极限的精度。
　　在这个新型原子钟里，科学家让350个镱原子处于量子纠缠，精准度是没有量子纠缠的版本的四倍，可以做到在宇宙漫长的140亿年寿命中偏差低于0。1秒。
　　更准的秒
　　从过去到现在，我们对时间更紧密、更精细的追踪，既服务了生活，也解码了宇宙；未来也一样。
　　生活上，越发高精尖的人类文明，如5G时代的许多场景与可能性都能从更精准的时间与空间定位获得加持。
　　科研上，科学家能够发现更多过去侦测不到的关于时间的物理规律，如引力波甚至暗物质，也可以进一步琢磨一些反常识、毁三观的问题，比如引力对时间流的具体影响、时间本身是否随着宇宙变老而变化等。
　　不过，百尺竿头、更进一步的路也不是没有尽头。
　　2017年PhysicalReviewX上的一篇论文指出，更好的计时是有代价的：时钟的精度越高，消耗的能量、产生的熵也越大。一个具有完美周期性的理想时钟，理论上会燃烧无限的能量并产生无限的熵，但这在现实中是不可能的。换句话说，时钟的精度从根本上存在限制。
　　所幸的是，至今大多数的时钟，包括在科罗拉多州博尔德的JILA研究所运行的那些世界最先进的原子钟，都未达相关的基本限制，它们燃烧的能量还远超报时所需的最低能量。
　　不过JILA的物理学家叶军表示，钟表制造商正在加快使用量子信息科学来制造更精确的时钟，基本限制在未来会越发重要。
　　2021年10月2024日，高山书院师生们将造访北京时间的诞生地西安，与科学家们一起探寻最熟悉又最陌生的时间之本质。
　　作者邱施运
　　编辑丨朱珍
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　　参考文献
　　〔1〕https：phys。orgnews202012atomicclockprecisely。html
　　〔2〕https：www。nim。ac。cn520node4。html
　　〔3〕https：journals。aps。orgprxabstract10。1103PhysRevX。7。031022
　　〔4〕https：www。quantamagazine。orgthenewscienceofclockspromptsquestionsaboutthenatureoftime20210831
　　〔5〕https：mp。weixin。qq。comsXdBODtNiU5VDhG46HZcIQ
　　〔6〕https：baike。baidu。comitemE58E9FE5AD90E9929F765460
　　致谢
　　特别感谢中国研究院国家天文台研究员、国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人、《中国国家天文杂志》执行编辑苟利军老师对本文的专业审核。