一秒鐘到底有多長？為什麼說原子鐘是世界上最精準的時鐘？我們看新聞時最常聽到的播報那些北京時間，竟然不是在北京產生的，而是由陝西省渭南市蒲城縣的中國科學院國家授時中心計算得來的。它指的並不是某一個城市的時間，而是整個東八區的區時。也就是說，即使我們身處祖國的不同地方，但是仍然遵循著同一個國家標準時間，這避免了很多不必要的誤解和麻煩。

其實對於時間的討論和定義，從古至今一直都在持續著。牛頓就曾在《自然哲學的數學原理》中討論這個問題。他認為時間是絕對的，真實的和數學的，並且均一的流動於任何外在的東西無關，但是卻可以透過物體的運動被感覺到，並進行度量。那麼以一秒鐘為例，我們到底該如何定義它的長短呢？最早的時候，人們透過太陽的東昇西落來判斷一天的時間長短，又因為一天被分為24小時，一小時有60分鐘，一分鐘等於60秒，因此用地球自轉一週的時間除以86400就可以得到一秒鐘的時長。但是地球的自轉並不穩定，時快時慢。所以用這種方法計算出的秒長並不均勻。縱使採用平均數的方法得到相對穩定的時間，但距離精準測量依然有很遠的距離。

直到1927年，石英鐘的出現才大大提升了鐘錶的精確度。石英晶體有一個非常特殊的性質，在它的兩側交替匯入正負電流，就會出現每秒鐘32768次的震動。那麼利用觸屏裝置將這個頻率降低到一赫茲，再連線上動力裝置，將指標每一秒鐘移動一次就可以得到一個石英鐘錶了。然而，由於石英晶體本身的品質不夠穩定，所以得到的時間依然不夠精準。英國格林尼治天文臺當時使用的石英鐘每天會有千分之一秒的誤差。這個數值看似毫不起眼，但卻對科學計算和太空研究有著重要的影響。

於是，科學家們開始思考是否還存在著更加精細和穩定的週期呢？上世紀40年代末，隨著量子力學的發展，美國科學家在微觀領域發現了一個天然穩定的頻率“電子躍遷頻率”，核外電子在繞著原子核運動時，他們攜帶的能量不同，執行的軌道也就不同。這些軌道被稱作能級，想從低能級躍遷到高能級就需要吸收電磁波。反之，從高能級回到低能級就會發射電磁波。而這當中的電磁波頻率就是能級之差除以普朗克常數。也就是說，對於同一種元素而言，它的電子躍遷率是不會改變的，並且在宇宙範圍內都是一個固定值。

因此在1967年，國際計量大會重新定義了“一秒鐘”，它就是銫-133原子基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振盪9192631770周所持續的時間。而這種利用原子穩定能級之間躍遷的計時方式就被稱作原子鐘。1995年，法國利用鐳射冷卻和囚禁原子的方法成功研製出了冷原子鐘，將原子中的水平又提升了一個數量級。說到這裡，可能很多人會有疑惑，為什麼要把一秒鐘的精準提到如此之高，到底有什麼用呢？

首先，更加精準和統一的計時裝置為科學技術的研究計算和人們的日常生活帶來了極大的便利。我國北斗衛星導航系統的心臟電是一塊銣原子鐘，它的每一次跳動都決定著北斗衛星定位、測速和授時功能的精度。其次，原子鐘還成為科學家們研究宇宙天體和地形地貌的新型探索工具。雖然說前面提到牛頓認為時間是絕對的，但是根據相對論可知，時間並不是絕對均勻的流逝，而是會受到不同引力條件的影響。也就是說，利用超精密的原子鐘能夠探測到引力場之間的微小差異。基於這個思路，科學家們可以透過探測時間的差異，來研究宇宙天體變化引發的引力波現象，還可以透過山峰和谷底的時間差異，來測量山脈的高度。

當然面對如此重要的原子鐘，我國也不甘示弱，2007年中國計量科學研究院，M四。成功研製出“NIM4銫原子”噴泉鍾，實現了600萬年不差一秒。我國也成為繼法國、美國、德國之後第四個自主研製成功冷原子鐘的國家。2010年，推出“NIM5銫原子”噴泉鍾，更是將中國時間頻率基準的準確度提高到了2000萬年不差一秒。目前新一代的原子鐘也已經進入到了除錯階段，預計精確度將達到6000萬不差一秒。