美国将造光学原子钟 千亿年误差不到1秒 或改写时间计量方式

从日晷、水锺（沙锺）、机械钟到石英钟，人类的计时工具经历了翻天覆地的变化。1955年，科学家又首次发明了原子钟，可达到每100万年误差不超过1秒的惊人精度。不过，随着科技的发展，新的时间计量标准也将随之改变，美国科学家的新成果或许将再次改变我们最熟悉的时间计量单位。

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波频率来计时的，通常用于原子钟的原子包括氢(H)、铯(Cs)、铷(Rb)等。目前的基本时间单位——秒（s）正是在1967年利用铯原子钟来定义的，即133Cs原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射周期的9,192,631,770倍的时间长度被称为“秒”，也就是我们通常所说的“国际原子时”。

为在研制铯原子喷泉锺项目上取得突破，2007年中国计量科学研究院成功研制“铯原子喷泉锺”（ NIM4），实现了600万年不差一秒，达到世界先进水平。中国也成为继法、美、德之后，第四个自主研制成功铯原子喷泉钟的国家，成为国际上少数具有独立完整的时间频率计量体系的国家之一。而我国下一代NIM6将达6000万年不差一秒。目前NIM6已经进入调试阶段。

被定义所用的原子钟是位于美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的NIST F-1原子喷泉锺。它由1999年建成，耗资65万美元，精度可达1秒/2000万年。而目前世界上最精确的“锺”则是由日本科学家于2015年用光学晶格中的超低温原子制成的，精度达到了1秒/160亿年。

虽然微小的时间误差对我们的生活不会造成丝毫影响，但对太空旅行和物理学领域的意义却不同寻常。例如时间频率测量精度的提高可以帮助人类更深层次地探索自然规律、推动基础科学研究的进步。高精度时间计量用于太空领域将有助于卫星定位精准度的提高。鉴于此，美国国家标准与技术研究院（NIST）目前正在开发下一代原子钟——光学原子钟，其精度将超乎想像。

因为原子钟测量时间的“尺子”就是原子振动时发出的波长，波长越短意味着“尺子”的刻度越精细，测量精度也越高。光学原子钟在光频下工作，测量的光波谐振频率比微波频率高大约十万倍，从而提供更高的精度。

NIST研究团队使用两个光学时钟和多个激光器冷却并捕捉“光学晶格”中的几千个镱原子，然后在这些原子中激发特定的能量转换。研究人员发现，两个光学时钟的精确度比最高精度的铯钟高100倍，这是第一次在同一类型的两个钟表上如此高水平地表现一致。科学家表示，现在需要进一步的研究来确保其精度可以恒定，并同时在几个不同的实验室中得到重复实验。只有通过验证，这种精确度才符合法国国际计量局（BIPM）制定的标准。

用于光学原子钟的原子包括镱（Yb）、锶（Sr）、铝（Al）等原子，目前NIST科学家正在比较不同类型的原子钟的精度差别。研究人员表示，测量结果与期望的精度相差不远，一旦完成，他们可以将结果与欧洲或亚洲的实验室进行比较。只有当所有的交叉验证通过后，一个新的、更准确的时间计量标准才会诞生。

不过，这一新的时间计量精度估计要等到2026年世界最高计量机构度量衡大会（GCPM，四年一次）召开之后才能实现。

也有科学家对此持以谨慎的态度。德国布伦瑞克国家计量研究所时间和频率组负责人Ekkehard Peik认为，铯钟对于当今的应用来说足够准确，重新定义至少要等到2030年后，这样可以为不同的光学原子钟提供充裕的竞争时间。

文/朱张航宇

参考文献：With better atomic clocks, scientists prepare to redefine the second, Science, doi:10.1126/science.aat4586, Mar. 1, 2018.

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