为确保光学原子钟担当全球计时基石，科学家拖着它颠簸到各国…

　　作为世界精确的计时器，光学原子钟的复杂程度也可谓登峰。从超稳定激光系统到原子装置，再到真空系统和频率测量体系——若有人将一台光学原子钟装入拖车，任其飞驰于高速公路上，那无疑是相当抽象的表演，要知道，任何剧烈颠簸都可能扰乱它精准的滴答。

　　但德国联邦物理技术研究院(PTB)的科学家表示，这次凶险的运输势在必行!从研究院所在的布伦瑞克出发，它将跋山涉水，与其他全球顶尖的光学钟相遇和比对，向便携和实用的目标迈进，也向全新定义的“秒”迫近，而新定义的秒将深刻影响从速度到质量的几乎所有科学计量基准，重构人类对自然界的认知体系。

上图所示为PTB团队研制的一台可携运的光学原子钟的激光系统

　　2022年，全球科学家达成共识：应当基于的光学原子钟技术重新定义秒。这一决定要求学界把来自全球不同地点的多台顶级光学钟汇聚一地、相互比对。

　　这种“聚钟较准”的追求早有传统，也是人类追求精确计时所遵循的范式。较准之后，可用的时钟来校准不如它精准的其他时钟。

　　在1950年代前，最准时钟是由天文学家根据太阳方位校准得到的，其中的准中之准则是伦敦格林尼治天文台的时钟。

　　但并非所有人都能携钟表赴天文台校时。于是“格林尼治时间女士”(Greenwich Time Lady)露丝·贝尔维尔(Ruth Belville)开始帮助大家做时间的朋友：贝尔维尔女士每天都会带着自己的秒表前往天文台取得标准时间，然后走遍伦敦，让数百名客户的钟表与她的同步，风雨无阻。

　格林尼治时间女士一直是伦敦计时体系中的核心人物，直到1940年退休

　　宇宙存在多久，光学原子钟准了多久

　　自贝尔维尔退休至今已过去85载，时间同步过程在这段岁月里既越发简便又趋于复杂。一方面，光纤与卫星能以可满足几乎任何用途的精度传递时间。另一方面，当前关于秒的定义已不再依赖地球公转，而基于铯原子钟内电子的量子振动——这些振动以固定频率发生，通过测量频率并简单计算，就能得出一秒的长度。

　　用美国科罗拉多大学博尔德分校学者亚历山大·埃普利(Alexander Aeppli)的话说，“频率是人类测量得最准的东西”，因此，这种计时方式无疑比过往所有方法都更棒。

　　但铯原子钟并非当下计时技术，光学原子钟才是真正。虽然二者都基于电子在量子态之间跃迁的原理，但光学钟所用原子的跃迁频率更高，其精度达到了铯钟的数百倍。

　　当年贝尔维尔的钟表精度在小数点后一位，即0.1秒左右;相比之下，现阶段的光学钟将精度推到了小数点后15或16位。换言之，它在经历四个宇宙年龄那么长的时光后，累积的误差也不超过1分钟。

　　法国巴黎天文台的研究员杰罗姆·洛德维克(Jérôme Lodewyck)坦言：“我从事原子钟研究已有20多年。在2015年时趋势很清楚，光学钟的精度要超越用于定义秒的铯钟。”负责通过协调世界时(UTC)统管全球计时标准的国际计量局认同此观点，并于2022年提出一项决议——正式采用光学钟重新定义秒。

　　精度的时间旅行

　　那么，既然光学原子钟才是最准，为何全球计时体系仍以次准的铯原子钟设定基准?原因在于光学钟建造与操作的难度，以及前文提到的“聚钟较准”难题。目前全球光学钟数量不足百台，在正式启用它们来重新定义秒之前，研究人员必须确保每台机器都处于最佳状态。

　　科学家早有预见，清楚知道“能检验一台最准时钟的东西，只能是另一台最准时钟”。

　　德国联邦物理技术研究院的克里斯蒂安·利斯达特(Christian Lisdat)早在十多年前就与团队开始筹划：送光学原子钟上路!2018年，他们汇报了工作进展：超精仪器被装入特制拖车，前往位于伦敦特丁顿的英国国家物理实验室(NPL)，与另一台世界顶尖光学钟碰面。

　　如上图所示的NPL光学钟，相比过去用于同步城市时间的钟表，那是两个层次上的计时仪器

　　利斯达特等人明白，要想有效比对全球各地的光学原子钟，同时避免引入影响精度的误差，只能这样做，只能走这条路。研究人员曾尝试卫星传输、光纤通信等多种钟间信号传递方案，但所有方法都会带来不确定性。澳大利亚国家计量研究所的迈克尔·沃特斯(Michael Wouters)感慨道：“我们仿佛回到了必须携钟比对的过去。是时候出现一位当代‘格林尼治时间女士’了。”

　　但携运上路的工作可绝非易事。光学原子钟包含大量真空系统、激光器和稳频设备，用利斯达特的话说，“稍受剧烈震动就可能损毁”。

　　时钟内部的激光精准排布，每个锶原子如同鸡蛋盒里的鸡蛋般稳定地被束缚于光晶格中。而运输意味着，要把易碎的量子“鸡蛋”连带着缥缈脆弱的光晶格鸡蛋盒一起装进拖车，然后祈祷盒子始终不褶皱、不开裂、不凹陷，鸡蛋一路安然无恙。PTB弗里茨·里勒(Fritz Riehle)坦言：“当年我做类似测量时，紧张得胃都揪成一团。”

　　2023年，PTB团队将重达800公斤的原子钟装入恒温拖车，聘请专业司机护送它穿过欧洲乡野，驶向英国国家物理实验室。

　　奔赴伦敦的并非只有德国钟。同期，日本理化学研究所(RIKEN)的团队也在为他们的原子钟筹备一场更遥远的空运。研究人员耗费数年完成了设备的小型化，确保激光系统保持稳定，并将整套装置精心封装防护，使其无惧长途飞行中的任何干扰。NPL学者伊恩·希尔(Ian Hill)回忆道：“它被装在大木箱里，用叉车装卸，再由卡车从机场运抵目的地。虽然一路小心谨慎，但也难免有颠簸。”

　　两台访客钟就位后，便连接到NPL主场的光学原子钟。后者作为更标准的设备，其众多组件整齐排列于实验室台面。它固定且稳定的特性使它成为那些可能更易变的旅行钟的理想参照。

　　在NPL，每台钟都与激光器相连，它们的光频被锁定于固定钟的主激光器频率，这些耦合的激光器可测量各钟性能。在3周时间内，时钟们安静运转，其频率由激光监测。

　　实验结束时，研究人员虽未立刻宣布成功(收集到的大量数据有待分析)，但大家士气高涨。众人前往当地咖喱馆庆祝，并开始谈论下一次实验。

　　对部分成员而言，新挑战近在眼前：特丁顿“会面”后，来自德国和日本的时钟再度启程，穿越英吉利海峡返回布伦瑞克，与另一台固定于实验室的光学原子钟展开比对。

　　再次历经三周比对后，研究人员终于能分析这些来之不易的数据。结果总体令人振奋：德国站与英国站的测量数据高度吻合!这是团队最关心的部分，表明光学原子钟经过长途跋涉后，仍能保持与出发时一致的走时精度!这是它们能够重新定义秒的最重要的基础。

　　此外，这也标志着光学原子钟向可携运化发展的里程碑，展现了它们作为现实世界实用设备的潜力。来自德国的旅行钟比对坐镇英国的固定钟，结果高度一致;日本旅行钟与德国固定钟的统计差异仅百万兆分之一——这个一致性水平创下了同类独立原子钟比对的最高纪录。

　　当然，并非一切都妥帖。如希尔所言，时钟比对过程中总会出现些意外情况，“它们有时不一致，有时又按预期运行”。虽然部分时钟对表现出的一致性，但当整体比对四台原子钟时，出现了某些奇怪的不一致。

　　一寸高一寸快，原子钟丈量引力场

　　这些差异由何而来呢?是由原子温度波动所致，还是原子内电子与激光束发生了意想不到的相互作用?研究人员尚无结论。洛德维克说道：“找出差异并了解其根源是真正的关键所在。”

　　光学原子钟距离对秒的重新定义仍隔着些许问题，但它们已经有能力解决一大难题，那就是测量可能因海平面升降或地震活动引发的地球重力场的微小变化。

　　根据爱因斯坦的广义相对论，靠近地面的时钟因引力作用会比高处的钟走得略慢。利斯达特解释称：“当你身处地球、黑洞或引力场中的其他地方，你会经历不同速度的时间流逝;通过比较不同高度的时钟，即可发觉此现象。”但此效应非常微弱，以至于无法用普通时钟检测。例如，A钟比B钟高1厘米，A走得就比B快10−19。

　　幸运的是，光学原子钟的精度足以捕捉上述差异。若带着它们去往各地，领略各种地形，或有望绘制前所未见的地表重力场细节图。研究人员曾尝试利用经过长途旅行的光学原子钟，针对他们访问的两家实验室测量高度差，并得到了与当前测量方法相当的结果(精度小于4厘米)。

　　埃普利说道：“有人提议在火山周围部署一套光学原子钟网络，用以预测火山喷发时间。或是将其放置到俯冲构造板块附近，从而判断下一次地震发生的时间。”这些原子钟能够探测地表垂直位置的细微变化——它们可以作为地震或火山喷发的前兆。这样的网络甚至能通过细致观测重力对时钟走时的影响来检验广义相对论本身。

　　科学界计划于2030年前实现对秒的重新定义，而新定义无疑会引发全领域的反响，因为其在各类测量中都至关重要，无论是测算光亮度、天体温度，还是电子设备电流量。若将这些测量视作人类描绘世界的方式，那么在这幅画所能放大的极限，往往取决于我们对秒的定义有多精确。越精准地定义秒，就能越清晰地洞察世界图景。

　　日本已在这方面先行一步：自2021年6月起，日本标准时间的计算开始基于铯原子钟与光学原子钟，当然，其精度要求远低于全球现行标准，毕竟重新定义一个时区比重置全球时区轻松很多。

　　希尔说道：“这项重新定义秒的探索如史诗般壮丽。我们已取得一些成果，而要达到重新定义的标准仍需大量工作。我们要继续前进。”PTB的利斯达特称他们正准备将原子钟运往意大利以开展新一轮比对。为确证光学原子钟足以担当全球计时基石，科学家要开启更多这样的旅程。

       参考文献： 世界科学 

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