精準計時

徐寧

石英晶體通電后產生的規律振動可以作為計時的依據。

一秒有多長？

計時工具的精度與科技并肩提升。日晷將一天分割為若干個時或時辰，機械鐘進一步將一天分割成1440分或86400秒。作為計時工具，不同廠家制造的鐘表必須用同一個計時標準校準，因此，人們想到了地球的自轉。然而，地球每自轉一圈所需的時間都會比上一圈增加幾微秒，也就是說，地球會越轉越慢，1秒也會變得越來越長。這樣看來，天體運行并不適合作為計時標準。

1927年，石英鐘問世了。科學家發現，切割成特殊尺寸的石英晶體在通電后能以固定頻率振動，即每秒32 768個周期。因為這個頻率值是2的整數次冪（2¹⁵），所以二進制計數芯片可以很容易處理它：計數芯片每數32768次振動，就產生1赫茲電信號，讓秒針向前移動一格。

原子秒到來

可即便已經十分精準的石英鐘依然存在不足：溫度和壓力的變化會稍稍改變石英晶體的振動頻率，這種誤差讓石英鐘無法滿足量子物理實驗和電視直播等領域對計時精度的嚴格要求。因此，發明精度更高的計時工具成了當務之急。

1955年，英國科學家埃森和帕里制造出了第一臺銫原子鐘。當處于特定頻率的微波輻射下時，銫原子的電子會在不同能級之間反復躍遷，并產生振動頻率固定的電磁波，其頻率不但遠超石英晶體的頻率，而且同種原子的同一種躍遷釋放的電磁波頻率是固定的。以這種固定頻率電磁波作為諧振子的計時工具將實現前所未有的超高計時精度。事實也的確如此：埃森和帕里制造的這臺原子鐘，每300萬年誤差僅為1秒。雖然這臺原子鐘的設計目的只是為了校準石英鐘，并且只能運行幾天，但是埃森和帕里相信，原子鐘能夠提供比天體運行或石英鐘更準確的時間參考。他們甚至發出了“天文秒已死，原子秒到來”的感慨。

1960年，國際度量衡大會對1秒的定義為：1960年地球自轉一周所需時間的1/86400。然而這個標準只使用了7年。在1967年召開的第13屆國際度量衡大會上，與會代表同意將1秒的官方定義更改為“銫原子133同位素基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射周期的9192631770倍的時間”。該定義所采用的原子鐘的躍遷頻率在微波頻段，因此這種原子鐘也被稱為微波鐘。

從微波鐘到光鐘

科學家很久以前就發現，銫的躍遷頻率還不是最高的，鐿或鍶的躍遷頻率比銫高4～5個數量級。如果以鐿或鍶作為原子鐘的核心，那么原子鐘的計時精度將進一步提升。由于鐿或鍶的躍遷頻率處于光學頻段，這類原子鐘也被稱為光學原子鐘（簡稱“光鐘”）。目前最先進的光鐘——Yb-2，可以達到運行200億年誤差不超過1秒的計時精度。

光鐘在為計時精度帶來飛躍的同時，也引出了新問題：它的計時精度已經大大超過對時間的現有定義。在預計于2026年召開的下一屆世界度量衡大會上，來自全世界的科學家代表將投票表決是否更改現有的時間定義。

新時間標準的確定取決于采用什么類型的光鐘。目前全世界正在研發的新型光鐘不下10種。光鐘之間的區別不僅在于其內部元素，更在于其所采用的設計架構。其中一種較為領先的設計架構是光晶格原子鐘，其原理是同時測量約1萬個中性原子的躍遷頻率，以獲得穩定且靈敏的讀數。Yb-2就屬于光晶格原子鐘。另一種設計架構是單陷阱離子原子鐘，通過測量處于隔離狀態的單個帶電離子的躍遷頻率計時。

YB-2光學原子鐘

芯片化的原子鐘可以搭載在人造衛星等設備上。

那么，超高精度的原子鐘有什么用呢？畢竟，如果只是看個時間，我們并不需要千萬億分之一秒或更高的精度。其實，高精度原子鐘的用途非常廣泛，其中和我們關系最密切的是衛星定位系統和網絡。現有定位衛星內置高精度的銫原子鐘。原子鐘的精度越高，定位結果越準確。我們使用的寬帶網絡需要原子鐘提供時間標準，帶寬越高則對原子鐘的要求也越高。此外，對地震的及時預測，乃至深空觀測，都需要超高精度的原子鐘。