国际标准单位从何而来，第二部分：第二

本周，山姆·基恩 (Sam Kean) 研究了一些极其精确的标准——米、秒和其他国际标准单位——以及这些元素在长期以来定义、重新定义和重新定义它们中所发挥的作用。

秒的定义曾经是地球绕地轴旋转一圈的 1/86,400（非正式的说法是一天中的秒数）。但一些棘手的事实使得该标准变得不方便。

由于海洋潮汐的晃动，地球自转速度减慢，因此一天的长度每次绕太阳公转都会发生变化。计量学家（测量科学家）不想将所谓的通用时间单位与一颗小岩石绕一颗普通恒星公转联系起来。

为了解决这个问题，科学家们转向了元素铯。更具体地说，他们转向了铯的单电子。与元素周期表中该列中的所有元素一样，铯的电子比它真正需要的整套电子多一个。这个电子——比其他电子处于更高的能级，因此更容易暴露——通常会在特定轨道上围绕铯核快速移动。但如果光线照射到电子上，它可以跳到更高的轨道。

现在，根据电子的“自旋”（一种固有属性）是向上还是向下，电子可以跳跃到稍高或稍低的轨道。如果最初的跳跃是从 G 到 G 上升一个八度，那么这次跳跃就是从 G 到升 G 或降 G。这些略有不同的能级被称为精细结构。如果你测量得更精确，并考虑更多的因素（如电子的电荷和原子核的磁场），你就能观察到电子在相差更小的能级之间跳跃——就像音乐上的差异不是半音，而是四分之一音，甚至是八分之一音。这被称为超精细结构。

计量学家利用这些超精细差异，用铯-133 制造出第一台原子钟。在这些“光束钟”中，铯原子气体被聚集到一个压力约为正常大气压万亿分之一的腔室中，并由强微波激射器（一种微波激光器）激发。微波激射器的这种弹奏激发了铯电子，并使它们跃迁到某个超精细能级。关键在于，电子无法长时间保持激发状态，因此它很快就会回落到另一个超精细能级。当它回到超精细能级时，它就会发光。这种上下跳跃的循环不断重复，每个循环都具有完美的弹性，因此所需的时间相同。微波激射器的精度确保所有铯原子都同步，因此原子钟只需计算发射的光子即可测量时间。

铯被证明非常适合用作原子钟的主发条，因为其电子的孤独性意味着科学家不必担心（而对于其他元素则需要担心）其他电子会跳上跳下并发射出自己的光子。铯的原子又重又笨重，也是微波激射器容易攻击的目标。但即使是缓慢移动的铯，外层电子也非常容易移动。它每秒来回移动 9,192,631,770 次，而不是几十次或几千次。

科学家们选择这个笨拙的数字，而不是将自己定格在 9,192,631,769 或拖延到 9,192,631,771，因为它符合他们在 1955 年建造第一台铯钟时对一秒的最佳猜测。无论如何，9,192,631,770 现已固定为定义。如今，计量学家不再依赖电子束钟，而是依赖铯“喷泉钟”，后者基于相同的基本物理原理，但温度要低得多，几乎高于绝对零度。其中一些时钟的精确度为每 3000 万年一秒。

然而，尽管铯标准通过确保全球的精确度和准确性而使科学受益，但人类无疑失去了一些东西。早在古埃及人和巴比伦人之前，人类就利用星星和季节来追踪时间并记录他们最重要的时刻。铯切断了与天空的联系，就像城市路灯遮蔽星座一样，彻底抹去了这种联系。无论铯是一种多么精细的元素，它肯定缺乏月亮或太阳那种神秘的感觉。

明天请收看我们探索科学标准的下一期。本系列由《消失的勺子》一书的作者山姆·基恩 (Sam Kean) 撰写，该书收集了元素周期表中隐藏的有趣而奇特的故事。