🚀 三句話總結

  1. 了解秒的各種定義，以及他們遇到什麼問題用什麼方案解決
  2. 了解銫原子的特殊頻率搜尋方法
  3. 了解最終秒的定義

☘️ 為什麼我要了解

因為銫原子的搜尋方法非常特殊，是一個蠻有趣的演算法，不只是物理演算法，在軟體中也是很特別的暴力演算法。

🎨 改變了什麼

知道物理世界中的銫原子演算法，將其轉換為軟體的演算法，算是一種非常特別的演算法，可以學一下，將來可能可以實做在程式上。

✍️ 總結和心得

一秒到底有多長？

一秒是多久? 為什麼不能是我從台北到高雄的時間叫做1秒？

很久以前一秒的定義是一天的 86000/1 ，也就是一天 = 24小時 = 1440 分鐘 = 860000秒，那麼一秒是基於一天而定義出來，那一天是什麼?

一天到底有多長？

真太陽日 - 定義

一天是當太陽第一次上升到最高點時後，之後第二次升到最高點的時間差，太陽經過2次天空最高點的時間差，說人話就是今天中午到明天中午的時間差，這就叫做真太陽時。

真太陽日 - 問題

但是隨著科技進步，人們發現地球公轉軌道是橢圓，導致橢圓靠近太陽的真太陽日短，橢圓遠離太陽的真太陽日長。於是每個真太陽日都不相同。

平太陽日 - 定義

於是科學家觀察把一個周期內的所有真太陽時加起來取平均，這叫做平太陽時，一天就是平太陽時

平太陽日 - 問題

又經過一段時間，科技進步，科學家發現因為地球的地軸會輕微的改變，地球的自轉速度越來越慢(有可能最後不會自轉只剩公轉)，每年平太陽時不一樣，每年的一秒都不相同。

重新定義「秒」

很明顯太陽推斷一天有很多變數，其根本問題是太陽為非穩定的觀測對象，於是科學家們修改秒的定義，從宏觀到微觀

修改秒的定義，由宏觀的太陽定義改為微觀的銫原子穩定週期，

銫原子

先來介紹銫原子的結構：

從上圖知道最外層只有一個電子，很容易受到影響(躍遷)，而銫原子具有兩個超精細的能階，根據波耳模型的發現：

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原子處於「基態」的時候，吸收了一定程度的「電磁波」，將會產生「躍遷」，處於「激發態」，
原子處於「激發態」時候，經過一段時間，將會產生「衰變」，落回「基態」或「低能階」。

而在衰變過程中將會產生「自發輻射」。

公式：

$\Delta E = hf$。 h = 普朗克常數 = 6.63*10^-34

簡單說，如果銫原子就像一棟大樓，其中一個房客很不穩定，他住在6樓，只要給他能量後，會爬到7樓，經過一段時間後他又會自己回到6樓，在這過程中他會發光！
而我們的目的就是找出，什麼能量可以讓他從6樓 爬到6~7樓的第一個台階。

簡化模型

將上述的內容整理成以下已知的條件：

  1. 由於 b 和 a 能量差較大，讓 b 躍遷到 a 的電磁波有一定誤差。
  2. 由於 c 和 b 能量差較小，讓 c 躍遷到 b 的電磁波必須非常是精準才能「全部躍遷」。
  3. 我們可以使用工具，在 a 衰變過程中 可以觀測到 自發輻射的能量
  4. 我們可以使用工具，讓 b 全部躍遷到 a ，然後處於 a 的銫原子有可能衰變成 b 或 c

根據上述條件，我們就可以根據演算法，獲取我們所需的「目標頻率」，而目標頻率就是條件2的， b 和 c 之間的「超精細能階」的電磁波頻率。

演算法：

我們可以通過一種演算法，獲得這目標頻率。

  1. 先進行初始化，讓所有的銫原子回到 c
    • 讓 b 躍遷到 a ，然後觀察a衰變的能量
      • 如果能量為 0 ，代表沒有 b 已經沒有原子
      • 如果能量不為 0，則持續進行該動作，直到能量為0，也就是 b 沒有原子了
  2. 往 c 打出某個頻率的電磁波
    • 如該頻率是「目標頻率」則可以讓所有 c 的原子躍遷到 b
    • 如果不是則代表只有「部分」原子躍遷到 b
  3. 持續透過初始化的流程，找出 最大的衰變能量是多少，就代表所有原子都在 b，就可以找出 當初「 c 打出某個頻率的電磁波」 是多少，就可以得出「目標頻率」。

用程式碼表示大概如下：

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for (當前頻率 = 0 ; 是否紀錄表中的衰變能量由高轉低(); 當前頻率++){
    let 衰變能量 = 初始化並獲取衰變能量();
    寫入紀錄表(衰變能量 , 當前頻率);
    測試頻率(C態,當前頻率);
}

初始化並獲取衰變能量(){
   const 讓B躍遷到A的能量 = 123456789;
   測試頻率(B態,讓B躍遷到A的能量);
   let 總衰變能量 = 0
   while (獲取當前A衰變的能量()!=0){
	    	總衰變能量 += 獲取當前A衰變的能量()
        測試頻率(B態,讓B躍遷到A的能量);
   }
   return 總衰變能量
}

let 目標頻率 = 紀錄表.pop().當前頻率

世界協調時間：

由於秒的定義不再是以天文觀察而定，那麼我們不就可以取代平太陽時這種不考靠的時間定義嗎？

答案是不能。

  1. 原子時太穩定，世界時因為地球自轉越來越慢，時間久了兩者差距就越大
  2. 經過百年後，太陽在天空最高點時，世界時紀載12點，而原子時紀載14點
  3. 經過千年後，太陽在天空最高點時，世界時紀載12點，而原子時紀載18點

若時間的標準採用穩定的原子時，那麼時間久了，時間對於人類的生活認知就相差越多。

世界時不穩定，符合人類生活認知；原子時穩定，不符合人類生活認知，但科學發展必須使用高穩定的原子時，那怎麼處理？

答案是世界協調時，基於原子時定出的新時間標準

協調世界時。在1972/1/1 00:00:00，開始計時

  • 協調世界時的「一秒」是採用原子時的標準產生
  • 世界時的「一秒」是採用平太陽時的天文標準產生

而當協調世界時與世界時快了一秒，那麼則人為的「加一秒」(原子時的一秒)在協調世界時，也就是23:59:59 下一秒不是 00:00:00 而是 23:59:60 ，那一秒稱為「閏秒」。

而現代的時間標準是 協調世界時，而一秒的標準則是原子時。