的 球形 天文 儀器 ， 即 渾儀 。 渾儀 為 銅製 ， 靠 水力 驅動 ， 用於 觀測 星相 。 鐘樓 內 放置 天球儀 ， 即 渾象 ， 其 運轉 與 上面 的 渾儀 同步 ， 故 可 隨時 對 【 科普 ｅ 世代 】 10 Story of Light 能 工巧匠 * 159 * 兩 者 進行 比較 。 鐘樓 前面 是 一 座 木閣 ， 分 5 層 各 開 一 門 ， 無論 白天 黑夜 ， 每隔 一 段 時間 ， 便有 木人 出現 。 木人 擊鼓 、 搖鈴 、 打鐘 、 敲打 樂器 、 出示 時 辰牌 。 所有 木人 都 由 巨大 的 報時 裝置 操縱 。 這 架 裝置 則 由 巨大 的 樞輪 提供 動力 ， 樞輪 上 有 木輻 挾持 水斗 ， 水 從 漏壺 中 滴入 水斗 ， 使 整個 儀器 每 個 時辰 前進 一 個 水斗 。 蘇頌 的 大時鐘 從 1090年 起 一直 運轉到 1126年 ， 隨後 被 金朝 拆開 ， 運至 北京 ， 在 那裏 又 運轉 了 幾 年 。 遺憾 的 是 ， 在 後來 的 100 年 裏 ， 由於 戰爭 的 原因 ， 這些 技術 沒 能夠 最終 保留下來 。 1350年 ， 第一 座 機械 鬧鐘 出現 於 德國 ， 到 16世紀 初 ， 義大利 教堂 中 就 響起 了 機械 鐘聲 。 1583年 ， 伽利略 發現 單擺 的 擺動 周期 與 振幅 無關 ， 這 是 時鐘 歷史 上 的 一 大 進步 。 在 前人 的 研究 基礎 上 ， 1656年 ， 荷蘭 天文學家 、 數學家 惠更斯 提出 了 單擺 原理 並 製作 了 第一 座 自擺鐘 ， 從此 ， 時鐘 誤差 可以 以 秒 來 計算 。 在 1762年 ， 最 好 的 機械錶 已經 能夠 達到 每 3 天 差 1 秒鐘 的 精確 程度 。 這樣 的 時鐘 即使 放 在 如今 的 日常 生活 中 也 足夠 用 了 。 但 在 天文 、 物理 等 科學 領域 中 ， 人們 對 時間 精確度 的 要求 ， 卻 並 不 以 此 為止境 。 1928年 ， 貝爾 電話 實驗室 的 研究 人員 沃倫‧馬里森利 的 故事 發現 第二 個 愛因斯坦 * 160 * 【 第三 章 】 用 石英 晶體 在 電路 中 能夠 產生 頻率 穩定 振動 的 特性 ， 製造出 了 第一 座 石英鐘 。 第二 年 ， 第一 批 石英鐘 就 作為 商品 面世 了 。 它 的 每日 誤差 只 有 萬分之一 秒 ， 比 1920年 製造 的 世界 上 最 精確 的 機械鐘 的 誤差 小 10 倍 。 自此 ， 石英鐘 取代 機械鐘 ， 成為 天文臺 向 世界 各 地 的 人們 提供 標準 時間 的 天文鐘 。 然而 ， 石英鐘 的 風光 歷史 沒有 持續 多久 ， 1949年 在 美國 製造 成功 的 原子鐘 就 以 其 幾千幾萬 年 才 相差 1 秒 的 超卓 準確性 ， 讓 石英鐘 在 天文學 領域 「 失寵 」 了 。 說起來 ， 原子鐘 是 最 不 像 時鐘 的 鐘 。 在 美國 國家 標準 和 技術 學會 （ 簡稱 NIST ） 的 實驗室 中 ， 為 美國 提供 標準 時間 的 NIST ─ F1 看上去 就 是 一 大 堆 讓 人 摸 不 到 頭腦 的 元件 ， 沒有 時針 分針 秒針 ， 也 沒有 鐘點 顯示 。 其實 ， 原子鐘 的 任務 ， 只是 提供 「 秒 」 這 個 時間 單位 的 精確 計量 。 1 秒鐘 如何 確定下來 ？ 這 首先 要 從 時間 的 概念 說起 。 當 我們 提到 時間 時 ， 有時 指 的 是 某 一 時刻 ， 是 一 個 點 ， 有時 指 的 則 是 兩 個 時刻 之間 的 間隔 ， 是 一 條 線段 。 只有 將 這 兩 者 結合 起來 ， 才 能夠 構成 對 時間 的 正確 認識 。 很 早 以前 ， 科學家 們 就 意識到 精確 界定秒 的 長度 的 重要性 了 。 17世紀 ， 科學家 確定 了 地球 自轉 一 周 、 地球 上 任何 地點 的 人 連續 兩 次 看見 太陽 在 天空 中 同 一 位置 的 時間 間隔為 一 個 平太 【 科普 ｅ 世代 】 10 Story of Light 能 工巧匠 * 161 * 陽日 。 由 此 ， 法國 科學院 於 1820年 提出 ， 以 一 個 平太陽日 的 1／86400 作為 一 個 平太陽秒 ， 成為 世界 時 秒 長 。 但是 ， 地球 的 自轉 要 受 季節 影響 ， 且 呈現 逐年 減緩 的 趨勢 ， 世界 時 秒 長 的 精確 程度 對於 飛速 發展 的 空間 物理 、 軍事 和 航太 等 領域 來 說 就 顯得 不 夠 。 量子 物理 的 出現 與 發展 ， 一方面 對 時間 計量 的 精確度 不斷 提出 更 苛刻 的 要求 ， 另一方面 也 指出 瞭解 決之道 。 根據 量子 物理學 原理 ， 當 原子 從 一 種 能量 狀態 躍遷到 較 低 的 能量 狀態 時 會 釋放 電磁波 ， 同 一 種 原子 產生 的 電磁波 的 共振 頻率 是 一定 的 ， 如 銫 133 原子 ， 它 的 共振 頻率 就 為 每 秒 9192631770 周 ， 精確 的 時間 間隔 即可 由 此 確定 。 哥倫比亞 大學 的 物理學 教授 、 1944年 諾貝爾 物理學獎 獲得 者 伊西多 ‧伊薩克‧拉比 堪稱 原子鐘 之 父 。 在 1945年 ， 他 就 提出 ， 可以 運用 其 在 20世紀 30年代 發明 的 原子 束磁 共振 技術 來 製造 原子鐘 。 使用 了 拉比 的 技術 ， NIST （ 當時 的 名稱 是 美國 國家 標準局 ， 簡稱 NBS ） 在 1949年 使用 氨 分子 作為 磁振源 製成 了 世界 上 首 台 原子鐘 。 1952年 又 製成 了 第一 台 銫 原子鐘 ， 它 被 命名為 NBS －1 。 這 一 命名 規則 被 延續 下來 ， 一直 到 1975年 的 NBS －6 （ 它 的 下 一 代 名為 NIST －7 ， 再 下 一 代 則 為 NIST － F1 ） 。 在 那 個 時候 ， NBS ─6 的 精確 程度 已經 可以 達到 在 30萬 年 的 時間 中 ， 既 不會 快 1 秒 ， 的 故事 發現 第二 個 愛因斯坦 * 162 * 【 第三 章 】 也 不會 慢 1 秒 了 。 從 原子鐘 誕生 之 日 起 ， 各 國 科學家 就 嘗試 過 使用 各 種 物質 原子 來 製造 它 ， 先後 出現 有 氫 原子鐘 和 銣 原子鐘 ， 但 它們 的 地位 都 遠遠 無法 同 銫 原子鐘 相比 。 儘管 氫原子鐘 和 銣 原子鐘 的 造價 比 銫 原子鐘 低廉 （ 目前 位於 NIST 實驗室 中 的 NIST － F1 原子鐘 價值 65萬 美元 ） ， 而且 體積 較 小 ， 但 精確度 不 夠 高 。 因此 ， 在 1967年 召開 的 國際 計量 大會 （ 簡稱 CGPM ） 上 ， 科學家 們 根據 銫原子 的 振蕩 頻率 來 定義 秒 的 長度 ， 那 就 是 ： 銫 133 原子 基態 的 兩 個 超 精細 能量級 間 躍遷 輻射 振蕩 9192631770 周 所 持續 的 時間 為 1 秒 。 自此 ， 全 世界 的 計時 標準 不再 建立 於 天文學 的 基礎 上 ， 而 這 一 標準 也 一直 被 沿用 至今 。 但是 ， 伴隨 著 物理學家 在 玻色 ─ 愛因斯坦 凝聚 方面 取得 的 突破 ， 以及 原子 噴泉 技術 的 進一步 完善 ， 銫原子 的 江湖 霸主 地位 也 遭到 挑戰 。 在 2001年 ， NIST 成功 製造出 了