作為世界上最精確的計時器，光學原子鐘的復雜程度也可謂登峰造極。從超穩定激光系統到原子囚禁裝置，再到真空系統和頻率測量體系——若有人將一臺光學原子鐘裝入拖車，任其飛馳于高速公路上，那無疑是相當抽象的表演，要知道，任何劇烈顛簸都可能擾亂它精準的滴答。

但德國聯邦物理技術研究院(PTB)的科學家表示，這次兇險的運輸勢在必行！從研究院所在的布倫瑞克出發，它將跋山涉水，與其他全球頂尖的光學鐘相遇和比對，向便攜和實用的目標邁進，也向全新定義的“秒”迫近，而新定義的秒將深刻影響從速度到質量的幾乎所有科學計量基準，重構人類對自然界的認知體系。

上圖所示為PTB團隊研制的一臺可攜運的光學原子鐘的激光系統

2022年，全球科學家達成共識：應當基于最尖端的光學原子鐘技術重新定義秒。這一決定要求學界把來自全球不同地點的多臺頂級光學鐘匯聚一地、相互比對。

這種“聚鐘較準”的追求早有傳統，也是人類追求精確計時所遵循的范式。較準之后，可用最精準的時鐘來校準不如它精準的其他時鐘。

在1950年代前，最準時鐘是由天文學家根據太陽方位校準得到的，其中的準中之準則是倫敦格林尼治皇家天文臺的時鐘。

但并非所有人都能攜鐘表赴天文臺校時。于是“格林尼治時間女士”(Greenwich Time Lady)露絲·貝爾維爾(Ruth Belville)開始幫助大家做時間的朋友：貝爾維爾女士每天都會帶著自己的秒表前往皇家天文臺取得標準時間，然后走遍倫敦，讓數百名客戶的鐘表與她的同步，風雨無阻。

格林尼治時間女士一直是倫敦計時體系中的核心人物，直到1940年退休

宇宙存在多久，光學原子鐘準了多久

自貝爾維爾退休至今已過去85載，時間同步過程在這段歲月里既越發簡便又趨于復雜。一方面，光纖與衛星能以可滿足幾乎任何用途的精度傳遞時間。另一方面，當前關于秒的官方定義已不再依賴地球公轉，而基于銫原子鐘內電子的量子振動——這些振動以固定頻率發生，通過測量頻率并簡單計算，就能得出一秒的長度。

用美國科羅拉多大學博爾德分校學者亞歷山大·埃普利(Alexander Aeppli)的話說，“頻率是人類測量得最準的東西”，因此，這種計時方式無疑比過往所有方法都更棒。

但銫原子鐘并非當下最強計時技術，光學原子鐘才是真正王者。雖然二者都基于電子在量子態之間躍遷的原理，但光學鐘所用原子的躍遷頻率更高，其精度達到了銫鐘的數百倍。

當年貝爾維爾的鐘表精度在小數點后一位，即0.1秒左右；相比之下，現階段最頂尖的光學鐘將精度推到了小數點后15或16位。換言之，它在經歷四個宇宙年齡那么長的時光后，累積的誤差也不超過1分鐘。

法國巴黎天文臺的研究員杰羅姆·洛德維克(Jér?me Lodewyck)坦言：“我從事原子鐘研究已有20多年。在2015年時趨勢很清楚，光學鐘的精度要超越用于定義秒的銫鐘。”負責通過協調世界時(UTC)統管全球計時標準的國際計量局認同此觀點，并于2022年提出一項決議——正式采用光學鐘重新定義秒。

精度之王的時間旅行

那么，既然光學原子鐘才是最準，為何全球計時體系仍以次準的銫原子鐘設定基準？原因在于光學鐘建造與操作的難度，以及前文提到的“聚鐘較準”難題。目前全球光學鐘數量不足百臺，在正式啟用它們來重新定義秒之前，研究人員必須確保每臺機器都處于最佳狀態。

科學家早有預見，清楚知道“能檢驗一臺最準時鐘的東西，只能是另一臺最準時鐘”。

德國聯邦物理技術研究院的克里斯蒂安·利斯達特(Christian Lisdat)早在十多年前就與團隊開始籌劃：送光學原子鐘上路！2018年，他們匯報了工作進展：超精儀器被裝入特制拖車，前往位于倫敦特丁頓的英國國家物理實驗室(NPL)，與另一臺世界頂尖光學鐘碰面。

如上圖所示的NPL光學鐘，相比過去用于同步城市時間的鐘表，那完全是兩個層次上的計時儀器

利斯達特等人明白，要想有效比對全球各地的光學原子鐘，同時避免引入影響精度的誤差，只能這樣做，只能走這條路。研究人員曾嘗試衛星傳輸、光纖通信等多種鐘間信號傳遞方案，但所有方法都會帶來不確定性。澳大利亞國家計量研究所的邁克爾·沃特斯(Michael Wouters)感慨道：“我們仿佛回到了必須攜鐘比對的過去。是時候出現一位當代‘格林尼治時間女士’了。”

但攜運上路的工作可絕非易事。光學原子鐘包含大量真空系統、激光器和穩頻設備，用利斯達特的話說，“稍受劇烈震動就可能損毀”。

時鐘內部的激光精準排布，每個鍶原子如同雞蛋盒里的雞蛋般穩定地被束縛于光晶格中。而運輸意味著，要把易碎的量子“雞蛋”連帶著縹緲脆弱的光晶格雞蛋盒一起裝進拖車，然后祈禱盒子始終不褶皺、不開裂、不凹陷，雞蛋一路安然無恙。PTB弗里茨·里勒(Fritz Riehle)坦言：“當年我做類似測量時，緊張得胃都揪成一團。”

2023年，PTB團隊將重達800公斤的原子鐘裝入恒溫拖車，聘請專業司機護送它穿過歐洲鄉野，駛向英國國家物理實驗室。

奔赴倫敦的并非只有德國鐘。同期，日本理化學研究所(RIKEN)的團隊也在為他們的原子鐘籌備一場更遙遠的空運。研究人員耗費數年完成了設備的小型化，確保激光系統保持穩定，并將整套裝置精心封裝防護，使其無懼長途飛行中的任何干擾。NPL學者伊恩·希爾(Ian Hill)回憶道：“它被裝在大木箱里，用叉車裝卸，再由卡車從機場運抵目的地。雖然一路小心謹慎，但也難免有顛簸。”

兩臺訪客鐘就位后，便連接到NPL主場的光學原子鐘。后者作為更標準的設備，其眾多組件整齊排列于實驗室臺面。它固定且穩定的特性使它成為那些可能更易變的旅行鐘的理想參照。

在NPL，每臺鐘都與激光器相連，它們的光頻被鎖定于固定鐘的主激光器頻率，這些耦合的激光器可測量各鐘性能。在3周時間內，時鐘們安靜運轉，其頻率由激光監測。

實驗結束時，研究人員雖未立刻宣布成功(收集到的大量數據有待分析)，但大家士氣高漲。眾人前往當地咖喱館慶祝，并開始談論下一次實驗。

對部分成員而言，新挑戰近在眼前：特丁頓“會面”后，來自德國和日本的時鐘再度啟程，穿越英吉利海峽返回布倫瑞克，與另一臺固定于實驗室的光學原子鐘展開比對。

再次歷經三周比對后，研究人員終于能分析這些來之不易的數據。結果總體令人振奮：德國站與英國站的測量數據高度吻合！這是團隊最關心的部分，表明光學原子鐘經過長途跋涉后，仍能保持與出發時完全一致的走時精度！這是它們能夠重新定義秒的最重要的基礎。

此外，這也標志著光學原子鐘向可攜運化發展的里程碑，展現了它們作為現實世界實用設備的潛力。來自德國的旅行鐘比對坐鎮英國的固定鐘，結果高度一致；日本旅行鐘與德國固定鐘的統計差異僅百萬兆分之一——這個一致性水平創下了同類獨立原子鐘比對的最高紀錄。

當然，并非一切都完美妥帖。如希爾所言，時鐘比對過程中總會出現些意外情況，“它們有時不一致，有時又按預期運行”。雖然部分時鐘對表現出極佳的一致性，但當整體比對四臺原子鐘時，出現了某些奇怪的不一致。

一寸高一寸快，原子鐘丈量引力場

這些差異由何而來呢？是由原子溫度波動所致，還是原子內電子與激光束發生了意想不到的相互作用？研究人員尚無結論。洛德維克說道：“找出差異并了解其根源是真正的關鍵所在。”

光學原子鐘距離對秒的重新定義仍隔著些許問題，但它們已經有能力解決一大難題，那就是測量可能因海平面升降或地震活動引發的地球重力場的微小變化。

根據愛因斯坦的廣義相對論，靠近地面的時鐘因引力作用會比高處的鐘走得略慢。利斯達特解釋稱：“當你身處地球、黑洞或引力場中的其他地方，你會經歷不同速度的時間流逝；通過比較不同高度的時鐘，即可發覺此現象。”但此效應非常微弱，以至于無法用普通時鐘檢測。例如，A鐘比B鐘高1厘米，A走得就比B快10?19。

幸運的是，光學原子鐘的精度足以捕捉上述差異。若帶著它們去往各地，領略各種地形，或有望繪制前所未見的地表重力場細節圖。研究人員曾嘗試利用經過長途旅行的光學原子鐘，針對他們訪問的兩家實驗室測量高度差，并得到了與當前最專業測量方法相當的結果(精度小于4厘米)。

埃普利說道：“有人提議在火山周圍部署一套光學原子鐘網絡，用以預測火山噴發時間。或是將其放置到俯沖構造板塊附近，從而判斷下一次地震發生的時間。”這些原子鐘能夠探測地表垂直位置的細微變化——它們可以作為地震或火山噴發的前兆。這樣的網絡甚至能通過細致觀測重力對時鐘走時的影響來檢驗廣義相對論本身。

科學界計劃于2030年前實現對秒的重新定義，而新定義無疑會引發全領域的反響，因為其在各類測量中都至關重要，無論是測算光亮度、天體溫度，還是電子設備電流量。若將這些測量視作人類描繪世界的方式，那么在這幅畫所能放大的極限，往往取決于我們對秒的定義有多精確。越精準地定義秒，就能越清晰地洞察世界圖景。

日本已在這方面先行一步：自2021年6月起，日本標準時間的計算開始基于銫原子鐘與光學原子鐘，當然，其精度要求遠低于全球現行標準，畢竟重新定義一個時區比重置全球時區輕松很多。

希爾說道：“這項重新定義秒的探索如史詩般壯麗。我們已取得一些成果，而要達到重新定義的標準仍需大量工作。我們要繼續前進。”PTB的利斯達特稱他們正準備將原子鐘運往意大利以開展新一輪比對。為確證光學原子鐘足以擔當全球計時基石，科學家要開啟更多這樣的旅程。

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本文轉載自《世界科學》微信公眾號

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