謝懿

第一次重新定義

時間的流逝是一個謎，許多物理學(xué)家甚至認(rèn)為它不過是幻覺。鐘面時間是人類的發(fā)明，它的單位是小時、分和秒，由此地球繞其自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一周的時長，也就是“天”的長度，才得以被劃分。17世紀(jì)，當(dāng)天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯發(fā)明擺鐘時，1秒被定義為1個太陽日的1/86400，即1天=24小時，1小時=60分，1分=60秒。

但是，地球的自轉(zhuǎn)并不是恒定的。地球自轉(zhuǎn)的時長每天會上下浮動數(shù)微秒;在更長的時間尺度上，地球自轉(zhuǎn)速率在逐漸放緩，由此定義的秒就會漸漸變長。20世紀(jì)初，當(dāng)量子力學(xué)實驗和無線電廣播對時間提出更穩(wěn)定且更精確的要求時，問題就來了。于是，微波原子鐘應(yīng)運而生，它走時的依據(jù)是原子中的電子在兩個能級間躍遷所發(fā)出的微波輻射頻率。

1955年，第一臺微波原子鐘問世，它的精度達(dá)到了每300年僅偏差1秒。這么高的精度很快就改變了我們對時間基本單位的定義。1967年，第13屆度量衡大會把“秒”重新定義為“基態(tài)銫-133原子兩個超精細(xì)能級間躍遷所對應(yīng)輻射周期的9192631770倍”。

雖然新的秒長與此前的完全一致，但這一表述為“秒”提供了一個更為精確的定義。目前最好的銫原子鐘的精度已經(jīng)提升到了約3億年的偏差僅為1秒，但今天我們依然沿用上述對“秒”的定義。

新一代計時工具

時間度量對于我們的生活至關(guān)重要。從全球定位系統(tǒng)、智能手機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)，對于這些依賴高精度時間同步的現(xiàn)代技術(shù)來說，銫原子的穩(wěn)定振蕩是它們的關(guān)鍵基石。但銫原子鐘已不再是目前最好的時鐘。作為新一代計時工具，光鐘正在大幅提高時間測量的精度。

科學(xué)家早已知道，有一些原子振蕩的速度遠(yuǎn)比銫要快得多。由于其原子核外的電子具有穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，也相對不易受到外界溫度、電流和磁場的擾動，鍶和鐿這兩種元素脫穎而出。問題是，它們的電子在能級間躍遷得太快了，科學(xué)家一直沒有找到對它們進(jìn)行測量的簡便辦法。

直到1999年，科學(xué)家才使用光頻梳解決了這個問題，它可以把原子在可見光頻率上的振蕩“轉(zhuǎn)譯”到微波頻率上。這樣，科學(xué)家首次實現(xiàn)了光鐘之間以及光鐘和銫原子鐘之間對秒長的校準(zhǔn)。

這一技術(shù)激起一場競賽，世界各地的實驗室都爭相制造越來越精密的光鐘。目前這些光鐘的精度已經(jīng)高于銫鐘近100倍，在整個宇宙歷史的尺度上的偏差僅為1秒。

這看似有點小題大做，畢竟我們的手表和智能手機(jī)不需要如此高的精度。然而，如果能把光鐘做得足夠輕巧，它們就會大有用武之地，從跟蹤海冰的運動到探測火山和地震活動?？茖W(xué)家也許還能利用它們開創(chuàng)許多新的技術(shù)，帶來令人意想不到的突破，甚至解決物理學(xué)中的根本問題。

跨越障礙

只有想不到的，沒有做不到的。半個世紀(jì)前，人們剛開始考慮全球定位系統(tǒng)。那時沒有人會想到，幾十年后，人們會隨身攜帶具有實時定位功能的智能手機(jī)。

既然光鐘已經(jīng)達(dá)到了這么高的精度，為什么全世界還沒有以它們?yōu)闀r間標(biāo)準(zhǔn)呢？在建立一個新的國際時間標(biāo)準(zhǔn)之前，還有一系列棘手的問題需要解決。其中之一就是要使得全世界所有光鐘的信號同步，這目前是通過微波鐘來實現(xiàn)的。這并不容易，因為需要使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備把光脈沖變?yōu)殡娦盘枴?/p>

在過去很長一段時間里，科學(xué)家并不清楚，是否有可能把光鐘給出的精密時間信號轉(zhuǎn)變到可供電子設(shè)備使用的微波波段。經(jīng)過了10年的努力，通過光頻梳給出的微波信號的穩(wěn)定性最終達(dá)到了最佳微波原子鐘的100倍?？紤]到將微波信號的穩(wěn)定性提高10倍就花了20年的時間，借由光頻梳一下子把穩(wěn)定性提高100倍可謂巨大的進(jìn)步。

作為重新定義“秒”的路線圖的一部分，在未來的光學(xué)秒定義和目前的微波秒定義之間建立起聯(lián)系是必需的。計量學(xué)家計劃于2026年召開的下一屆度量衡大會上提交一份重新定義“秒”的表決動議。

對于重新定義“秒”，首先要確定一個所有人都同意的精度截斷點。這預(yù)計不會是一件容易的事情。一旦達(dá)成了一致，接下來就要協(xié)商用哪一種光鐘用作官方重新定義“秒”的依據(jù)。眼下世界各地的實驗室研發(fā)了至少10種不同的光鐘，沒有一種明顯優(yōu)于其他的。

這些鐘不僅所使用的原子類型有所不同，構(gòu)造也不盡相同。作為一種領(lǐng)跑的設(shè)計，能夠同時測量約10000個中性原子的光格鐘可以提供穩(wěn)定且精密的走時。其他的種類還包括單陷俘離子鐘，它可以測量單個帶電原子的躍遷頻率，由此可以減小測量的不確定性。但是，它比光格鐘輸出的信號弱，因此需要更長的時間才能得到測量結(jié)果。

目前光鐘設(shè)計上的多樣性是一件好事，因為它可以提供不同的解決方案，但最終必定要有一個勝出。這一決定將根據(jù)專家、委員會、工作組的建議，由度量衡大會的代表做出。它在很大程度上是一個權(quán)衡的問題，而非科學(xué)問題。

在此之前，除了要確認(rèn)不同光鐘的測量結(jié)果之外，還有許多科學(xué)上的障礙需要跨越。光鐘與光鐘、光鐘與最好的微波鐘之間需要進(jìn)行比對，這一過程意在確保結(jié)果的相容性和可重復(fù)性。通過使用光纖相互連接，各國實驗室之間已經(jīng)在進(jìn)行光鐘的比對。不過，不同的光鐘有時會給出稍有不同的結(jié)果，這令科學(xué)家感到困惑，但這也是整個過程的意義所在。計量學(xué)的核心要義就是切實評估所有會出錯的地方。科學(xué)家希望在未來5年內(nèi)搞清楚所有可能導(dǎo)致光鐘出錯的地方，并確保它們不會發(fā)生。

未來的原子鐘

新的“秒”的定義會沿用多久仍是個未知數(shù)。就像光鐘的前任微波鐘一樣，光鐘總有一天會被超越。不同于目前依據(jù)原子核外電子躍遷的微波鐘和光鐘，科學(xué)家已經(jīng)開始思考基于原子核躍遷的鐘。

未來的原子鐘還必須應(yīng)對由愛因斯坦的廣義相對論所描述的時間特性。廣義相對論預(yù)言，在地球引力場中的不同位置，鐘走的速度會變快或變慢。隨著鐘的精度不斷提升，這一效應(yīng)將會開始顯現(xiàn)。那時，我們也許就會碰到大自然為人類設(shè)定的時間測量的基本極限。

（作者為天文學(xué)博士，現(xiàn)為南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授、江蘇省天文學(xué)會理事）

（摘自《科學(xué)畫報》2020年第12期）