长短不一的一天

第2章　秒的产生及演变

2.1　机械钟与约翰·哈里森的故事

对于人类而言，时间的概念与生俱来。

地球的自转及其围绕太阳的公转，为生活在地球上的人们带来了日起日落、寒来暑往等周期现象。再加上月亮的朔望盈亏变化，使人们在不知不觉中就产生了“年”“月”“日”等时间概念。再后来，随着人类社会的进步以及生活节奏的不断加快，慢慢产生了对于更小时间单位的需求。根据文字记载，至少在公元前102年，人们就已经将1“日”均匀地划分成12个“时辰”，每个“时辰”还被划分成若干个“刻”。

在西方，比“日”小的时间单位是“小时”，比“小时”更小的单位有“分钟”和“秒”。彼此间的换算关系是1“日”等于24“小时”，1“小时”等于60“分钟”，1“分钟”等于60“秒”。

从计量上看，将时间准确到“小时”并不困难，古人所采取的很多办法都可以做到这一点。从“小时”过渡到“分钟”则不太容易，要等到摆钟被发明之后。而从“分钟”过渡到“秒”，则困难重重。从历史沿革上看，有几位杰出人物值得人们永远铭记，他们为人类最终跨入“秒”时代做出了不可磨灭的贡献。

第一位是生活在我国北宋时期的苏颂。公元1088年，他建造出了水运仪象台。利用一个被称作“天衡”的构件，将水流驱动“枢轮”所产生的连续性运动转变成一种间歇式跳跃运动，进而将时间的流逝均匀地表现出来。苏颂所设计的天衡，其实就是后来大量出现在机械钟表里的“擒纵机构”。

擒纵机构是天衡的设计理念通过十字军东征传播到欧洲后结出的果实。1656年，荷兰籍物理学兼数学家惠更斯(Christian Huygens)将擒纵机构与单摆的等时性原理相结合，绘制出了机械摆钟的设计图纸，并授权身处海牙的钟表匠人萨洛蒙·科斯特加以制造。按照惠更斯的设计制作出来的摆钟，其走时精度达到了一天仅误差几十秒的水平，与先前的机械钟表动辄出现20多分钟的误差相比，可以说是发生了一次质的飞跃。1658年和1673年，惠更斯分别出版了《钟表学》和《摆钟》这两本著作，书中进一步讨论了与摆钟密切相关的一些问题，从而有力推动了摆钟制造技艺的提高。

此后，随着航海业的兴旺发达，出现了对于远洋航船进行精确定位的强烈需求。所谓定位，就是在缺乏陆地参照物的茫茫大海中，准确测量出船只所在地的地理经纬度。其中，纬度的测量并不困难，只要把一种称为象限仪的仪器水平放置，再令其一端对准北极星，尔后读出该星与水平面之间的夹角就可以了。但是采取这个办法测量经度就不行了，因为随着地球的转动，与特定经线相对应的天体时时刻刻都在变换着。

不过，正因为地球在一刻不停地匀速转动着，才使得运用另一种方法测量出远洋航船的经度成为了可能。

众所周知，地球的自转周期为24小时，换算成角速率，为15度∕小时。 这个数值意味着，如果将一只走时精准的钟表从甲地带往相距不算遥远的乙地，那么当乙地的太阳到达上中天时，钟表显示的时间若为下午1点，则乙地就处在甲地以西15度的经线上；显示的时间若为上午的11点，则乙地处在甲地以东15度的经线上。由此可见，只要测量出两地间的时间差，便可以轻而易举地计算出两地间的经度差。在规定了零度经线所处的位置后，通过上述办法便可以确定出每一个地方的绝对经度值。

显然，在所述办法中，钟表的走时精度直接决定着经度值的精确度。那么，计时钟表的精度要达到何种水平才能满足远洋定位的要求呢？

从实际情况看，远洋船只对于目的地的偏离不宜超过50千米。若将这个距离换算成经度差的话，其结果将随着纬度的增大而增大。也就是说，在赤道附近将给出最小的数值——大约为半度。如前所述，地球在1小时内转动15度，即每4分钟转动1度。由此看来，半度就是2分钟的时间。

表面上看，2分钟是一个很宽松的要求，不难达到。实则不然。因为在十八世纪，远洋船只的航行速度普遍比较缓慢，去往一个相距不太遥远的地方都需要花费较长的时间。以当时英国海船经常光顾加勒比地区为例，从伦敦到达加勒比海域大约需要40天的时间。若想在这40天里随时都能够根据钟表所显示的时间准确推算出船只所处的位置，那么前述的2分钟就是一个总误差，必须平摊到这40天里，平均每天只有短短的3秒钟。这一结果便是远洋定位对于钟表的走时精度所提出的要求。

就当时的情况看，想要制造出一款如此高精度的钟表几乎是不可能的。因此指望有哪个钟表匠人凭着自己的兴趣，冒着倾家荡产的风险来做这件事也是不可能的，必须要有来自外部的强大推动。最终，发生在1707年的一起海难充当了这一角色。

1707年10月，英国的一支舰队在地中海打败了法国舰队后凯旋时，由于误判了自己的位置，在锡利群岛附近不幸触礁，最终酿成了4艘舰船沉没，1 600多名水手葬身海底的惨剧。痛定思痛之后，英国国会采取了行动，于1714年成立了经度委员会，负责解决远洋航行中经度的测量问题，并为此通过了一项所谓的“经度法案”。该法案规定凡有办法在地球赤道上将经度确定到半度以内的人，均可获得2万英镑的奖励；如果误差稍稍超出了半度，也可以考虑给予一半的奖金。

出生在英国约克郡的木匠约翰·哈里森 (John Harrison)从小就对钟表制作表现出了浓厚的兴趣。在他19岁的那一年(1713年)，无师自通地制作出了一架摆钟。其中，除了几个非用金属不可的零件外，其余零件都是用木头制成的，展现出哈里森所具有的高超的木工技艺。在随后的1715年和1717年，哈里森又分别制作出了两架类似的摆钟。通过这两款摆钟的制造，哈里森彻底了解了造成摆钟出现走时误差的症结之所在，并因此设计出了一种新型的擒纵机构“蚂蚱”——因其外形酷似蚂蚱腿而得名。“蚂蚱”的特点是在运行过程中几乎不产生摩擦力。另外，他还解决了因热胀冷缩而导致的摆锤长度的改变对摆动周期的影响问题。

借助以上技术，哈里森花费两年的时间为当地一位爵士建造起了一座木质塔钟。经过仔细校验后发现，该钟在1个月的时间里所产生的误差不超过1秒。更令人惊奇的是，这座塔钟到现在居然还在正常工作着，自建成以来的300年间，只因为塔楼装修的缘故而被迫停摆过一次。木质构件运转这么长时间仍完好无损，实属不易。

积累了丰富的经验之后，从1727年起，哈里森便开始致力于航海钟的研究。此时对他而言，所面临的主要问题是如何解决船只的晃动对摆钟走时所造成的影响。经过长达4年的艰苦探索，哈里森终于构思出了一种被称为“平衡摆”的装置——两头各用一根弹簧连接起来的两只摆的组合体。他坚信这种设计能够很好地规避船只晃动所造成的影响，眼下欠缺的只是将设计转变成实物所急需的资金而已。

为此，哈里森来到伦敦寻找经度委员会，希望获得后者的经费支持。由于该委员会只有组织形式而没有专门的办公地点，因此哈里森的找寻无果而终。万般无奈之下，只好前去拜访伦敦城里他所唯一知道的人——格林尼治天文台台长哈雷。哈雷热情地接待了哈里森，并明确告诉他经度委员会里只有三类人——天文学家、数学家和航海家，没人看得懂他的设计图纸。言下之意，经度委员会里缺少慧眼识珠的人，即便是哈里森寻找到了经度委员会，也将于事无补。不过哈雷同时还给哈里森提出了一个建议，让他去找找当时伦敦城里最负盛名的钟表匠人，同时也是英国皇家学会会员的乔治·格雷厄姆，说不定从此人那里会有些收获。

哈里森听从了哈雷的建议，并寻找到了格雷厄姆。后者仔细察看了哈里森的设计图纸后，立刻意识到它的重要性，并同哈里森展开了长时间的讨论——从上午的10点钟一直持续到晚上的8点。最后格雷厄姆以无息贷款的方式借给哈里森200英镑。虽然名义上是借款，但是格雷厄姆告诉哈里森不用急着归还这笔钱。

带着借来的这200英镑一回到家中，哈里森便同弟弟一起开始了艰苦的研制工作。直到5年后的1735年，兄弟俩终于制作出了第一台样钟。两个人之所以花费了这么长的时间，主要是因为在此期间，他们要利用村子旁边的河流和自家的壁炉反复测试摆钟抗击船只晃动以及环境温度起伏不定的能力，直到测试结果令他们满意为止。

哈里森兄弟制造的首台样钟后来被称作H1，重达42千克。H1被搬运到伦敦后，原先借钱给哈里森的格雷厄姆立即邀请了5位英国皇家学会的会员前来参观(其中就包括了格林尼治天文台的哈雷台长)。这5个人对H1展开了细致的考察，认为其性能优良，于是联名给经度委员会书写了一封热情洋溢的推荐信。

带着这封信，哈里森终于联系上了经度委员会。最终的结果是，委员会决定出资对H1展开远洋测试。1736年，哈里森携带H1登上了前往葡萄牙里斯本的“百夫长”号军舰。在航行过程中，“百夫长”号船长用铁钩将H1吊挂在自己休息室的顶棚上，以减轻军舰晃动可能给H1带来的影响。军舰去往里斯本时比较顺利，但在返航途中却遭遇到了暴风雨天气，以致于在海上飘荡了一个多月后才靠近英国。就在船长认为到达了达特茅斯附近的斯塔特而准备靠岸时，哈里森提出了不同意见。因为根据H1所推算出的经度结果表明，军舰正处在彭赞斯半岛上的利泽德附近，而非达特茅斯附近的斯塔特。事后证明，哈里森的推算结果是正确的，说明H1的性能达到了远洋定位的要求。

1737年6月30日，经度委员会的8名委员聚集在一起听取哈里森关于H1这次远洋测试情况的报告。原以为哈里森会充分描述H1所表现出来的优点，进而要求经度委员会同意自己携带H1前往加勒比海展开进一步的测试，以便获得经度法案所允诺的奖金(H1所能达到的精度足以让哈里森获得2万英镑中的一半，但是前往加勒比海进行测试是获得奖金的先决条件)。但是哈里森并没有那样做，在报告中他反而指出了H1的种种不足，并认为自己完全有能力解决这些问题。因此，他向经度委员会申请一笔新的研制经费，以便制造出一款性能更加优良的航海钟。

根据经度法案的有关规定，经度委员会有权向提出可行性方案的穷人预支奖金作为其研制经费。因此委员会同意了哈里森的请求，拨付给他500英镑。利用这笔钱，哈里森花费了3年时间，制作出了第二台样钟，史称H2。相比于H1，哈里森在H2里安装了一个灵敏的温度补偿器，同时还改进了时钟的驱动系统，并把部分木质零件改为了铜质。这样一来，虽然H2的个头比H1小，但比H1更为沉重。H2被制造出来后，受限于当时的客观情况(英国与西班牙正处于交战状态)，经度委员会没有立即安排哈里森携带上H2进行远洋测试，而是在陆地上有针对性地开展了一系列的试验。结果表明，H2完全经受得住远洋航行的考验。因为，陆上试验所设置的某些条件甚至比航海中可能碰到的状况更为苛刻。

按照常理，哈里森这一次可以放心大胆地申请经度奖金了。然而，他再一次做出了超乎常人想象的举动——再次向经度委员会申请研制经费。原因是在试验当中，哈里森突然意识到自己在设计H2时，并没有考虑到船只在急速转弯时所产生的离心效应。再次申请研制经费的目的，就是为了制造出一款能够消除此种效应的摆钟。

经度委员会同意了哈里森的请求，再次拨付给他500英镑。在儿子威廉·哈里森的帮助下，哈里森立即着手新型航海钟的研制工作。谁知这一次的进展极不顺利，不得不一而再、再而三地向经度委员会申请延期以及更多的经费支持。不过，经度委员会每一次都满足了他的要求：总共5次，每次拨款500英镑。直到1757年，新型航海钟终于被制作完成，史称H3。

颇为遗憾的是，虽然历经19年，花费了高达2 500英镑才制作完成，但H3却从未进行过正式的远洋测试。原因是在H3即将完工的前两年，即1755年，哈里森发现其他钟表匠人利用其制作H3时所发明出来的一些技术而制作的怀表，其走时精度能够达到非常理想的水平。于是他立即着手制造一块航海用的怀表。

在H3制作完成后的两年，即1759年，该怀表也制作完成了，史称H4。哈里森原本打算将H3和H4一起带往加勒比海进行远洋测试，然而——按照哈里森的说法——由于皇家天文台第三任台长詹姆斯·布拉德利及其好友天文学家马斯卡林的恶意阻挠，直到1761年的11月份，哈里森的儿子威廉·哈里森才在朴次茅斯港等来了由经度委员会安排的皇家海军“德普福德”号战舰。这时，威廉决定只携带H4登船，而令H3永远失去了进行远洋测试的机会。

“德普福德”号战舰前往的目的地是牙买加。因为风浪的原因，船只航行了81天之后才靠岸。上岸后，随行的一位天文学家利用自己携带的望远镜确定出了当地的正午时刻，再结合已经知道的经度数据，推算出了H4应该显示的时间。当人们在指定时刻关注H4实际给出的时间时，发现后者仅仅误差了5秒钟，这意味着H4平均每16天才累积出1秒钟的误差。这一结果表明，H4的走时精度远远超出了经度委员会所提出的要求。

H4的出现，标志着人类社会从此真正进入了“秒”时代。

2.2　长短不一的一天

自从约翰·哈里森制造出了81天里仅仅误差5秒钟的怀表之后，“秒”就成为了一个实实在在的时间单位。在这种情况下，法国科学院于1820年作出如下规定：

1秒等于太阳日长度的1/86 400。

这是出现在历史上的首个关于“秒”的正式定义。

一般人可能并不十分理解出现在上述规定中的“太阳日”这个概念。其实就是人们通常所说的“天”，泛指前后相继的两个正午时刻所间隔的时间。何为正午？乃太阳光垂直照射地面的瞬间，又称上中天。

如上所述，起初人们利用太阳的运动来检定钟表的走时精度。然而，一旦钟表的精度得到了确认之后，人们反过来也可以利用钟表的走时来研究太阳运动所具有的特征。结果发现，太阳的周日运动其实并不稳定，“太阳日”的长度每天都在以极微小的幅度变化着。

这一发现明显不同于人们的直观感受。在一般人的直观感受中，尽管夏季昼长夜短，冬季昼短夜长，但是由昼、夜相合而成的1“天”，即一个“太阳日”的长短则固定不变，与春、夏、秋、冬四个季节的更替无关。但事实并非如此，一年中最长与最短的1“天”相比，多出了近51秒钟。

造成这一结果的原因是多方面的。首先，地球围绕太阳公转的轨道呈椭圆形，太阳处在椭圆的一个焦点上。因为椭圆不是圆，椭圆的焦点亦非圆的中心，所以太阳与地球之间的距离时时刻刻都在变化着。根据开普勒第二运动定律，当太阳与地球之间的连线变短时，地球的公转速度便会加快；反之，地球的公转速度便会减慢。具体说来，当地球距离太阳最近，即在近日点上(冬至日前后)时，地球公转所扫过的扇形角度达到最大值61分∕日；而当地球距离太阳最远，即在远日点上(夏至日前后)时，地球公转所扫过的扇形角度达到最小值57分∕日。扇形角度越大，意味着在地球相对于自身对称轴保持静止的情况下，地面上所观察到的太阳反向移动(称为太阳的视运动)的角度就越大。

事实上，地球围绕自身对称轴在一刻不停地转动着。这种自转运动也能造成太阳的一种反向运动。因此，通常所观察到的是太阳的上述两种反向运动相互叠加以后所呈现出来的结果。由于地球自转和公转的方向都是从西向东，因此太阳的两种视运动在方向上正好相反。在此情况下，由公转造成的太阳视运动角度越大，需要通过自转加以弥补的角度就越大，所耗费的时间也就越多，从而造成“太阳日”长度的加长。如此说来，冬至日前后的“太阳日”最长，夏至日前后的最短。长、短之间相差了大约8秒钟。

其次，由于太阳视运动所在的黄道与地球自转所形成的赤道之间存在着一定的夹角，导致“太阳日”在春分点和秋分点前后变短，在夏至日和冬至日前后变长，长、短之间相差了大约21秒钟。

进一步，由于近日点、远日点、中日点都在二至点和二分点之后的十多日，因此日、地间的距离在秋分点比在春分点要来得更远一些，从而导致秋分点上的“太阳日”比春分点上的来得更短一些。

将上述几种效应叠加起来，所得出的最终结果是：一年中，9月16日正午至9月17日正午所间隔的时间最短，只有23小时59分39秒；12月23日正午至12月24日正午所间隔的时间最长，达到了24小时0分30秒。正所谓“冬至长、秋分短”。

从以上介绍中不难看出，法国科学院在定义“秒”时，笼统地使用“太阳日”一词是不妥当的，需要加以补充完善。

2.3　世界时、历书时和原子时

如前所述，采用长度变化不定的“太阳日”来定义秒是不合适的。那么问题该怎么解决呢？

为此，美国天文学家纽康(S.Newcomb)想出了一个很好的办法：引进一个假想的太阳。该太阳在天赤道上以匀速的方式运转着，其速度等于真太阳在黄赤道上运行速度的平均值。这个假想的太阳就称为“平太阳”。平太阳连续两次上中天的时间间隔称为一个“平太阳日”。这个办法实际上是给真太阳日长度的平均值起了个名字，叫做平太阳日而已。描述平太阳瞬时位置的赤经用一个约定的公式来表示：

a☉=18h38m45s.836+8640184s.542T+0s.0929T2

其中T是从1900年1月0日12时起算的儒略世纪数(1儒略世纪等于36 525个平太阳日)。

1“平太阳日”等于24“平太阳时”，1“平太阳时”等于60“平太阳分”，1“平太阳分”又等于60“平太阳秒”。在日常生活中，“平太阳时”“平太阳分”和“平太阳秒”分别被简化成了“小时”“分钟”和“秒”。由此看来，倘若将1820年法国科学院所作出的规定修改为

1秒等于平太阳日长度的1/86 400就合理了。

由“平太阳时”“平太阳分”和“平太阳秒”组成的“平时”系统中，平太阳处于下中天的瞬间(即平子夜)为每个平太阳日的起始时刻，称为零时。显然，这是一个与地理位置密不可分的时间概念。为了在全世界范围内建立起一个便于人际间交往的计时系统，人们又引入了世界时的概念，结合着时区的划分来使用。

所谓世界时，其实就是英国格林尼治天文台的地方平太阳时，简称UT。其可划分为三个层次——UT0、UT1和UT2，其中UT0所涉及的计算公式为

UT0=ST-a☉-λ+12h

其中的ST是通过观测恒星所得出的时间，简称为恒星时；λ为观测地点的经度(东经)采用值。身处不同地点的观测者在同一瞬间求得的UT0略有不同。倘若在其中引入由极移造成的经度变化改正Δλ，就能够得到全球统一的世界时UT1。相关公式为

UT1=UT0+Δλ

Δλ=(xsinλ-ycosλ)tanφ

其中的x、y是瞬间地极坐标，φ为观测地点的地理纬度。

UT1是全世界民用时的基础，同时还能够表示出地球瞬时自转轴的自转角度，因而是研究地球自转运动的一个基本参量。倘若在UT1中加入由地球自转速度季节性变化所引起的改正ΔTS，便可以得到一年内平滑的世界时UT2：

UT2=UT1+ΔTS

ΔTS=0s.022sin2πt-0s.012cos2πt-0s.006sin4πt+0s.007cos4πt

其中t以年为单位，从贝塞耳岁首起算(所谓贝塞耳岁首，是指加上了光行差所造成的影响后，平太阳的赤经等于280度的瞬间)。上述公式于1962年正式启用。出现在公式中的Δλ和ΔTS的数值由国际时间局(BIH)负责计算并通报给世界各国。1970年国际时间局根据1967年至1969年间全世界的观测资料，确定出了地球自转短期变化改正的数值，并于1972年起正式采用。

从上述几个公式不难看出，世界时系统是比较复杂的。那么，能否建立起一套相对简单的计时系统呢？

所谓简单，就是要求在该系统中时间的流逝比较平稳。经过长期观测，人们发现地球的公转运动相当稳定，符合人们的期望。实际上，早在1952年，就有人在考虑可否建立一个以地球公转为基础的计时系统的问题。

最终在1958年，国际天文学联合会作出决定：自1960年起，用历书时代替世界时作为时间计量的基本系统，世界各国天文年历的太阳、月球、行星历表等均以历书时为准进行推算。所谓历书时，就是以地球公转运动为基础的计时体系，简称ET。

本来，除地球外，位于太阳系中的其他天体，其公转运动也都可以用来标定历书时。但是由于纽康在十九世纪末根据地球围绕太阳公转所编制的太阳历表，直到二十世纪六十年代仍然是最基本的太阳历表，因此人们还是选择地球的公转运动作为建立历书时的基础，同时将历书时的起点选择在纽康计算太阳几何平黄经的起始历元，即选取1900年初太阳几何平黄经为279°41′48.04″的瞬间作为历书时1900年1月0日12时整。历书时中的秒长则被规定成：

1秒等于1900年 1月0日12时正回归年长度的

1/31 556 925.974 7。

简称历书秒。1960年10月召开的第十一届国际计量大会接受了国际天文联合会作出的关于时间计量的有关规定。

然而，历书时的实际运作情况却大大出乎人们的意料。由于太阳的视运动比较缓慢，并且其中心位置难以界定，因此在实际工作中，人们选择了月球而非太阳作为观测对象来推算历书时。这样做又带来另外一个问题：由于月球视圆面的边缘并不规整，对其中心的确定同样带有一定的误差。其结果是，通过观测月球所推算出来的历书时的精度竟然比先前使用的世界时还要低，从而摧毁了人们先前对历书时的期望。另外，推算历书时需要进行较长时间的天文观测和数学归算，这在实际工作中也是个不容忽视的问题。于是乎，在仅仅使用了7年之后，历书时就被废止了，取而代之的是一种更加精确的计时系统——原子时。

所谓原子时，简单地说，就是立足于原子的某种特性而建立起来的计时系统。它的由来，可以追溯到十九世纪中后期。那时人们就发现了每一种原子都能够发射出一系列频率相当稳定的电磁辐射。但是，对于这一物理现象的理解却一直拖延到了二十世纪初。1913年，丹麦物理学家玻尔提出氢原子结构理论。该理论指出，当原子中的电子从能量较高的能级向较低能级跳跃时，能够释放出与两个能级能量差相对应的电磁辐射。后来发展起来的量子力学证实了玻尔的这一论断，并让人们对原子辐射现象有着更多、更为深入的理解。

利用原子辐射现象制造出高精度时钟的设想，最先由美国物理学家拉比提出，时间是在第二次世界大战之前。该设想在原理方面并不复杂：令一束原子穿过一个交变电磁场，当电磁场的交变频率与原子的某种精细跃迁频率相吻合时，穿过电磁场的原子便能够从电磁场中吸取能量而发生跃迁。如果将原子束的跃迁情况通过某种方式反馈到交变电磁场的发生器中，令发生器发出的交变频率能够根据原子束的跃迁情况进行自动调整，并最终使得跃迁原子的相对数目达到一个最大值，那么与这一最大值相对应的交变频率便是原子精细跃迁所具有的频率。将该频率进行分频、计数和译码处理后，便可以通过数显的方式来计量时间。1949年，拉比的学生拉姆齐进一步指出，倘若令跃迁原子往返两次穿过交变电磁场，原则上可以让时钟的走时变得更为精准。

第二次世界大战结束后，美国国家标准技术研究院与英国国家物理实验室均宣布，将以原子共振为基础来建立时间标准，即两家机构均开始着手原子时钟的建造工作。结果，美国国家标准技术研究院的埃森和帕里率先完成任务，他们所建造的原子钟结构复杂，占地面积达到了一个房间的大小。随后由另一名科学家扎卡来亚斯与麻省的摩尔登公司合作，制造出了便携式商用原子钟，从而将时间的计量带入了原子时代。

在对原子钟的运行情况进行了一段时间的考察之后，国际计量学界决定再次修改秒的定义，最终形成了1967年第十三届国际计量大会所通过的如下决议：

1秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间。

之所以要规定这么多个周期，即把铯-133原子的振荡积累这么多次，目的是让秒的新长度尽可能接近原有长度。

利用铯-133原子的振荡频率进行计时的装置称为铯原子钟。在使用铯原子钟时，应该考虑到温度效应，因为温度对于铯原子的运动状态有着直接的影响，进而影响到原子发生跃迁时所产生的频率。鉴于此，国际计量局于1997年对秒的上述定义进行了完善，规定相关定义中的铯-133原子应处于温度为0 K下的静止状态。

2.4　相关链接——现代钟表与协调世界时

在人们的日常生活中，接触最多的计时工具主要是各种形式的钟表。这其中，又以石英钟和石英表最为常见。

石英钟、表的核心部件是石英振荡器，其工作原理与石英晶体所表现出的一种物理效应密切相关。人们很早就发现，倘若在石英晶体的某个轴向上施以机械压力，便会在晶体内部产生出一定数量的电偶极子。表面上看，这些电偶极子分布在受压面的左右两端，因而能够给出一定大小的电压，这一实验现象称为压电效应。与此同时，还存在着逆压电效应，即施加上一定大小的电压后，石英晶体反过来会产生某种程度的形变。

石英振荡器的设计利用了逆压电效应。通过施加交变电场的方法，让石英晶体发生周期性形变，从而产生周期性振荡现象。一旦振荡频率恰好等于石英晶体的固有频率时，便会出现简谐振动。研究表明，石英晶体的固有频率十分稳定，而且维持简谐振动所耗费的能量极低。这些优点再加上石英本身所具有的机械和化学稳定性，使得石英振荡器从二十世纪四十年代起，就成为了石英钟、电子表、电话、电视、计算机和数字电路中不可或缺的频率元件。

就整座石英钟而言，其设计原理是：由石英振荡器给出的谐振频率，经过分频后用于控制微型马达的运转，继而带动时针均匀走动。由此不难看出，石英钟的走时精度将完全取决于所选用的石英晶体品质的好坏。使用品质优良的石英晶体所制造出来的石英钟，1天的走时误差仅为十万分之一秒，相当于连续运转270年后才积累出1秒钟的误差。但是，如果使用了品质较差的石英晶体，那么1天的走时误差就能够达到1秒钟。

正是这个原因，人们随后又发明了无线控制计时钟表(radio controlled timepieces)，简称电波钟。这款钟的工作原理是：国家授时中心将标准时间进行编码，然后采取低频(20～80 kHz)载波方式将编码信息通过无线电长波发播出去，通过此方式形成的信号称为低频无线电时码信号。电波钟通过内置的微型无线电接收系统接收到该信号后，通过集成芯片对信号加以解调，最后再利用解调得到的输出控制钟表的走时。从这一简单介绍中不难看出，原则上讲，所有电波钟所显示的时间都与国家授时中心所保有的标准时间同步，从而保证了计时的准确性。

那么，国家授时中心所保有的标准时间又是从何而来呢？

关于这个问题的答案涉及了前面所介绍的原子钟。由原子钟给出的时间又称为原子时，这是相对于此前的世界时和历书时均来自天文观测而言的。根据1967年召开的第十三届国际计量大会所通过的有关决议，在指定了零时刻的情况下，原子钟连续而均匀的走动便能够提供一个连续而稳定的时标，如同持续而稳定的地球运动能用于公元纪年一样。零时刻被指定为世界时(UT)1958年1月1日0时0分0秒瞬间的原子时称为国际原子时，简称TAI。

由于种种人们尚不清楚，或者清楚了但目前尚无法处理的一些因素的影响，单台原子钟的稳定性并非绝对可靠。因此较为普遍的做法是同时启用多台原子钟，将其走时结果的平均值作为原子时的准确时间。该时间经过了时区矫正之后，便给出了国际原子时。

近年来出现了一种新型的计时装置——原子喷泉钟。其精度，以铯原子喷泉钟为例，可以达到10-15量级，比多台铯原子钟联用所能达到的精确度还要高出两个数量级。铯原子喷泉钟的设计原理是：将铯原子组成的气体导入时钟的真空室里，令6束相互垂直的红外激光(黄线)照射该气体，致使各个原子彼此靠近，最终形成一个球状物。在这一过程中，铯原子的运动速度被逐步减慢，温度逐步降低，直至接近绝对零度。如此一来，各原子在状态上逐步趋同，最终导致反馈系统给出极其敏锐的微波共振频率。而频率的窄化将显著改善时间计量的精准度。在激光与铯原子的相互作用中，位于垂直方向上的两束激光相互合作，将铯原子气球向上托举，形成喷泉式运动，故被命名为铯原子喷泉钟。喷泉钟的使用，大幅提升了国家授时中心所保有时间的稳定性、准确性。

最后来谈谈协调世界时。

如前所述，国家授时中心所保有的时间由铯原子钟或铯原子喷泉钟提供，其中的秒长恒定不变。而根据地球运动得出的世界时则不同，其秒长会随着地球运动状况的改变而改变，无法维持在某个特定数值之上。因此，即便经过一段不算长的时间，原子时与世界时在时刻表示上都会出现一个小小的偏差。该偏差若不及时加以处理，久而久之难免演变成一个可观的数值。届时将会出现时钟运行到了中午12点整，可是太阳才刚刚升起的奇怪现象。

为此，于1971年召开的第十四届国际计量大会决定，当世界时与原子时的时刻之差超过了0.9秒时，便在原子时上增加或减少1秒，使得面向公众的计时系统所给出的时刻显示尽可能接近世界时系统。这种处理等价于在平年系统中设置闰年，只不过被置闰的是“秒”而非闰年里的“天”而已。经过置闰处理的原子时就称为协调世界时。

在什么年份设置闰秒，以及设置正闰秒(将原子时调慢1秒钟)还是负闰秒(将原子时调快1秒钟)，这项工作由地球自转参数服务局和国际计量局具体负责。一旦作出了置闰决定，相关机构会提前通知各国负责管理时间计量工作的部门，再由该部门公告全国。闰秒的植入一般安排在年中或年末的最后时刻进行，即6月30日或12月31日的最后一秒钟。

具体的置闰方法是：如果设置正闰秒，则将当天时刻23:59:59的下一时刻记为23:59:60，然后才是第二天的零时00:00:00；如果设置负闰秒，则将当天时刻23:59:58的下一时刻跳记为第二天的零时00:00:00。在我国，由于使用的是北京时间，因此置闰操作被安排在指定年份的1月1日或7月1日早晨的7点59分59秒进行，具体方法是：

正闰秒：07:59:59 → 07:59:60 → 08:00:00；

负闰秒：07:59:58 → 08:00:00

自1971年至今，累计置闰25次，并且每次设置的都是正闰秒，表明地球的自转速度总体上呈现出一种逐渐减缓的趋势。