本周，Sam Kean 探讨了一些极其精确的标准——米、秒以及其他国际标准单位——以及元素在历代定义、重新定义和再重新定义这些单位中所起的作用。
秒的定义过去是地球自转一周的 1/86,400（不太正式地说，就是一天的秒数）。但一些棘手的事实使得这个标准变得不方便。
每天的长度都随着绕太阳一周的旅程而变化，这是因为潮汐的晃动会拖慢地球的自转。计量学家（测量科学家）不想将一个所谓的通用时间单位与一颗普通恒星周围一颗小岩石的运行联系起来。
为了纠正这一点，科学家们转向了元素铯。更具体地说，他们转向了铯的孤立电子。与周期表中同一族的元素一样，铯比它真正想要的完整集合少一个电子。这个电子——它比其他电子处于更高的能级，因此更暴露——通常在铯原子核周围的特定轨道上高速运行。但如果电子受到光照，它就可以跃迁到更高的轨道。
现在，根据其“自旋”（一种固有的性质）是向上还是向下，电子可以跃迁到稍微更高或更低的轨道。如果最初的跃迁就像从 G 向上移动一个八度到 G，那么这个跃迁就是从 G 到 G# 或 G♭。这些稍微不同的能级被称为精细结构。如果你更精确地测量并考虑更多因素（如电子的电荷和原子核的磁场），你可以观察到电子在能量差更小的能级之间跃迁——就像一个音程不是半音，而是四分音，甚至是八分音。这被称为超精细结构。
计量学家利用这些超精细差异制造了第一批铯-133 原子钟。在这些“束钟”内部，铯原子气体被收集在一个压力约为正常大气压万亿分之一的腔室中，并由强大的微波激光器（maser）激发。这种与微波激光器的“拨弦”会激发铯电子，使其跃迁到某个超精细能级。关键在于，电子不能长时间保持激发状态，所以它很快会跌落到另一个超精细能级。当它这样做时，它会发出光。这种向上和向下跃迁的循环会一遍又一遍地重复，并且每个循环都具有完美的弹性和相同的时间。微波激光器的精度确保了所有铯原子都同步，因此原子钟可以通过计算发射的光子来测量时间。
铯被证明是原子钟的理想发条，因为其孤立的电子意味着科学家不必担心（不像其他元素那样）其他电子的上下跃迁并发射自己的光子。铯沉重、笨拙的原子也是微波激光器容易瞄准的目标。但即使是行动迟缓的铯，其外层电子也相当活跃。它不是每秒几十次或几千次，而是在每“一秒钟”里进行 9,192,631,770 次来回跳跃。
科学家之所以选择这个笨拙的数字，而不是将其截断到 9,192,631,769，或拖延到 9,192,631,771，是因为它与 1955 年他们制造第一台铯钟时的最佳猜测相符。无论如何，9,192,631,770 现在被固定为定义。如今，计量学家依靠的不再是束钟，而是铯“喷泉钟”，它们运行在相同的基本物理原理上，但温度更低，接近绝对零度。其中一些时钟的精度高达每 3000 万年才出现一秒的误差。
然而，尽管铯标准通过确保全球范围内的精度和准确性使科学受益，但人类无疑也失去了一些东西。自古埃及人和巴比伦人以来，人类就一直利用星星和季节来追踪时间和记录他们最重要的时刻。铯切断了与天空的联系，就像城市路灯抹去星座一样抹去了这种联系。无论铯是多么精密的元素，它肯定缺乏月亮或太阳的神秘感。
明天请继续收看我们探索科学计时标准的下一篇。本系列由 Sam Kean 撰写，他是《The Disappearing Spoon》的作者——这是一本关于元素周期表中隐藏的有趣而奇特的故事集。
