本週，薩姆·基恩將帶我們了解一些極其精確的標準——米、秒和其他國際標準單位——以及元素在漫長的歷史中對這些標準進行定義、重新定義和再次重新定義的過程中所發揮的作用。
秒的定義過去是地球自轉一週的1/86400（通俗地說，就是一天中的秒數）。但一些棘手的事實使得這個標準不再適用。
由於海洋潮汐的漲落會拖曳並減緩地球的自轉，因此地球繞太陽一周，一天的時間長度也會隨之改變。而計量學家（測量科學家）並不想把一個所謂的通用時間單位與一顆小石頭繞著一顆普通恆星運行的軌道聯繫起來。
為了解決這個問題，科學家將目光投向了銫元素。更確切地說，他們研究的是銫的孤對電子。和元素週期表中同列的所有元素一樣，銫的電子數比它實際需要的電子數多一個。這個孤對電子——它處於比其他電子更高的能階，因此更容易受到光的照射——通常會沿著特定的軌道繞著銫原子核高速運動。但是，如果光照射到這個電子上，它就可以躍遷到更高的軌道。
現在，根據電子的「自旋」（一種固有屬性）是向上還是向下，電子可以躍遷到略高或略低的軌道。如果最初的躍遷就像從G音向上移動八度，那麼這次躍遷就是從G音躍遷到升G音或降G音。這些略微不同的能階被稱為精細結構。如果測量得更精確，並考慮更多因素（例如電子的電荷和原子核的磁場），就可以觀察到電子在相隔更小的能階之間躍遷——就像音樂上的音差不是半音而是四分之一音，甚至是八分音。這被稱為超精細結構。
計量學家利用這些超精細能階差異，製造出了第一批銫-133原子鐘。在這些「束流鐘」中，銫原子氣體被聚集在一個壓力約為正常大氣壓力一萬億分之一的腔室中，並被高強度微波激射器（一種微波雷射）激發。微波激射器激發銫原子中的電子，使它們躍遷到某個超精細能階。關鍵在於，電子無法長時間保持激發狀態，因此很快就會回落到另一個超精細能階。當電子回落時，它會發射光子。這種上下躍遷的循環會不斷重複，每個循環都是完全有彈性的，因此每次循環所需的時間都相同。微波激射器的高精度確保了所有銫原子的同步，因此原子鐘只需計數發射的光子即可測量時間。
銫之所以被證明是原子鐘的理想主發條，是因為其電子的孤立性意味著科學家不必像研究其他元素那樣擔心其他電子上下躍遷並發射光子。銫原子體積龐大、運動緩慢，也使其成為微波激射器的理想目標。但即使在運動緩慢的銫原子中，外層電子的運動速度也驚人。它每秒的振動次數不是幾十次或幾千次，而是每分鐘（以密西西比河為單位）就能完成 9,192,631,770 次往復運動。
科學家之所以選擇這個略顯笨拙的數字，而不是止步於9,192,631,769，或者繼續拖延到9,192,631,771，是因為它與1955年他們製造第一台銫原子鐘時對一秒的最佳估計相符。無論如何，9,192,631,770如今已被確定為秒的定義。如今，計量學家不再依賴電子束鐘，而是使用銫「噴泉鐘」。這種鐘的工作原理與電子束鐘相同，但工作溫度要低得多，幾乎接近絕對零度。有些銫原子鐘的精度可達每3000萬年誤差不超過一秒。
雖然銫標準透過確保全球範圍內的精確性而使科學受益，但人類無疑也失去了一些東西。早在古埃及人和巴比倫人之前，人類就利用星星和季節來計時，記錄人生中的重要時刻。銫切斷了這種與天象的聯繫，就像城市路燈遮蔽了星座一樣，徹底抹去了這種聯繫。無論銫多麼精妙，它都缺乏月亮或太陽所擁有的那種神秘感。
明天請繼續收看我們關於科學基本原理的探索系列節目。本系列由薩姆·基恩撰寫，他也是《消失的湯匙》一書的作者——該書收錄了一系列隱藏在元素週期表中的奇趣故事。
