一秒有多長?德國科學家發明新時鐘,重新定義一秒鐘的長度

(圖:Jean-Pierre Bovin)

在你讀完這句句子時,相信已過了一秒鐘的時間。對大部分人來說,一秒眨眼即過,但在科學家的眼中,準確的計時裝置不但能為科學帶來新的發現,亦能改善多種現有的科技。因此,德國的一班科學家在過去不斷研究更準確的計時技術,而在上個月,他們終於在一本雜誌裏發表了他們多年的成果。

近 50 年來,一秒鐘的長度一直由相同的國際標準所定義。但一班德國科學家卻發明了現今最準確的時鐘,有可能重新定義一秒鐘的長度。據他們的計算,他們製造的時鐘如果由宇宙大爆炸的一刻開始運作,到 140 億年後的今天,這時鐘只會慢了 100 秒。

雖然普通人無法感覺到這新時鐘帶來的準確度,但它卻能改善我們現有的 GPS 定位系統,減少定位系統數厘米至數米的誤差。同時,依賴時間準確性運作的供電系統及電腦金融網路亦能得以改善。

由於這新時鐘是使用一個有別於傳統原子鐘的計時方法,因此它將會稍微改變時分秒的長度。其實傳統原子鐘跟擺鐘的原理相近,只不過原子鐘不使用金屬吊擺的擺動來計時,而是以銫原子(Caesium, Cs)發出的微波訊號來回「擺動」 9,192,631,770 次為一秒。但如擺鐘一樣,原子鐘同樣會產生誤差,每 30 天左右,原子鐘將比原本時間快了或慢了十億分之一秒(一毫微秒)。

世上首個銫原子鐘 (圖:NPL)
世上首個銫原子鐘 (圖:NPL)

有鑑於此,正在研發當中的新時鐘,將使用比銫原子「擺動」次數更頻密的鍶原子(Strontium, Sr)減少誤差。以這新技術計算的話,一秒將等於原子 429 萬億個週期,遠比以往使用的 91 億週期精密。由於鍶原子隸屬光學色譜,科學家將放棄以往使用的微波原子鐘,轉而研究光學時鐘,令每 28 天的時間誤差減低至一百億分之二秒。

德國國家計量組織(German National Metrology Institute)的克里遜‧格利賓(Christian Grebing)教授表示,這研究是應用光學原子鐘技術的里程碑,他指出:「這研究讓我們知道,我們現今已有能力採用光學時鐘,獲取正面的效果。」

光學時鐘背後的科技並不簡單,首先科學家必需準確地分離一些原子或離子,然後把這些粒子關進一個與外界分離的真空密室中,最後利用雷射觀察粒子的活動。這技術的概念雖然並不嶄新,但因為它的複雜性,使科學家一直未能完善它所需的科技。

光學原子鐘 (圖:NPL)
光學原子鐘 (圖:NPL)

格利賓教授表示,他們現在已能有效地使用光學時鐘,但要正式地重新定義國際時間標準,需有待十年的時間。這是由於德國並非唯一正研究光學原子鐘的國家,其他國家亦分別提出利用鋁原子和離子計時。因此,這十年將給予科學家足夠時間達成協議。

格利賓教授希望他們的研究能改善全球計時方面的基建,為世界帶來更準確的時鐘,然後將新時鐘應用於現有的基礎建設:「這是改進全球計時技術的第一步。」

一遙
明日科學編輯,愛丁堡大學神經語言學學生,精通五國語言,熱愛科學科技。夢想是以所學的知識連接世界文化,為明天的世界帶來正面的影響。