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1967年，时间经历了一次重大转变。就在这一年，时间的关键增量“秒”的定义从一年的极小组成部分变为更加稳定和基本的单位：铯原子吸收和发出的辐射进行一定数量循环所需要的时间。国际单位制正式采用了这一变化，其主要动力源自技术的飞跃。从20世纪10年代到50年代中期，最精确的计时方法是将最好的石英时钟与地球围绕太阳的转动保持同步。这是通过使用望远镜和其他仪器定期测量恒星划过天空的运动来完成的。但在1955年，这一方法的准确性被首台铯原子钟轻松超越，该铯原子钟在位于伦敦郊区的英国国家物理实验室首次亮相。铯钟本质上是异常精确的振荡器，利用微波辐射激发电子，确定铯原子某一内在频率的准确位置。这一技术首次出现后，研究人员终于可以解决他们先前时间标准内存在的一个已知缺陷：即地球自转中轻微、不规律的加速和减速。现在，铯钟已无处不在，以至于我们常常会忘记它们对于现代生活不可或缺的重要性：它们催生了全球定位系统，帮助同步互联网和手机通信，实现望远镜阵列互联，以及用于测试基础物理学。通过我们的手机或者低频无线电同步技术，铯时间标准逐步融入我们日常使用的很多时钟。自1955年以来，铯钟的精确度已大幅改进，每10年提高10倍左右。如今，基于铯钟的计时每天累积误差仅为0.02纳秒。如果我们在地球诞生之初（大约45亿年前）就开始使用铯钟计时，那么现在也仅偏离大约30秒而已。但是我们可以做得更好。新一代的自动时钟使用激光代替微波辐射，可以更精细地划分时间。大约6年前，研究人员完成了这类光学钟的单离子版本，使用一个铝离子或汞离子制成。相较于铯钟，这些时钟的精确度又高出了一个数量级。现在，这项技术的一个新分支——光晶格钟（OLC）占据领先地位。单离子时钟每次只产生一个频率测量值，而光晶格钟则可通过一个强大的持续激光束同时测量数千个原子，降低了统计的不确定性。在过去几年内，这类时钟在精确度和稳定性上都超过了性能最佳的单离子光学钟。随着进一步的研发，光晶格钟将会实现138亿年——宇宙诞生至今的时间——的偏差不超过1秒。那么，为什么你要关心这类精度惊人的时钟呢？因为它们已经带来了深远影响。一些科学家将光晶格钟作为检验基本物理学的工具。而另一些科学家正在研究一种可能性，即是否可以使用光晶格钟来更好地测量地球上各点时间流逝速度之间的差值，这是由于爱因斯坦广义相对论所描述的重力对时间之扭曲而引起的。测量此类微小扰动的能力似乎异常深奥，令人难以企及。但这却可能具有重要的实际应用价值。比如说，我们可以提高预测火山爆发和地震的能力，更可靠地检测石油和地下天然气，并且在不久的将来，光晶格钟可能再一次改变我们定义时间的方式。 根据量子力学规律，一个电子被约束到一个原子上的能量是量子化的。这就意味着，一个电子只能占用围绕原子核的离散数量的轨道区域或轨道，尽管它可以通过吸收或发射电磁辐射形式的能量，从一个轨道跃迁至另一轨道。由于能量是守恒的，因此仅在这种辐射频率对应的能量与涉及相关的两个轨道之间的能量差匹配时，才会发生上述吸收或发射。原子钟利用上述行为进行计时，原子（例如铯原子）经过操控，以便所有电子都占用能量最低的轨道。然后，原子被一个特定的电磁辐射频率击中，从而导致一个电子跃迁到一个能量更高的轨道——激发的“时钟状态”。这种跃迁的可能性取决于指向原子的辐射频率：越接近于时钟跃迁的实际频率，跃迁发生的概率就越高。为了探究跃迁发生的频率，科学家们使用第二辐射源，将仍处于最低能量状态的电子激发进入一种短暂的、能量更高的状态。这些电子每次从这种瞬时状态恢复后就会释放光子，并且由此产生的辐射可被光传感器（例如照相机或光电倍增管）捕获。如果检测到少量光子，则意味着大部分电子在进行时钟跃迁，并且传入频率可很好地匹配。如果正在释放许多光子，则意味着大多数电子没有被时钟信号激发。一个伺服驱动的反馈环路被用于调谐辐射源，以便其频率总是接近原子跃迁。将这种基准频率转换成以秒为单位走动的时钟还需要其他步骤方可完成。一般来说，在原子钟内测量的频率用于校准其他频率源，如氢微波激射器和石英钟。使用基本模拟电路制成的“计数器”可连接到氢微波激射器，将其电磁信号转换成以秒为单位指示时间的时钟。当今最常见的原子钟使用铯-133原子，铯-133原子具有位于电子频谱微波范围内的电子跃迁。如果该原子保持在绝对零度且不受扰动（之后扰动立即增加），这种跃迁将在9192631770赫兹的频率上发生。而事实上，这就是我们在国际单位制内定义“秒”的方式，即9192631770赫兹辐射的9192631770个周期的持续时间。实际上，铯-133并非一个完美的“钟摆”。由于其不完美的环境，原子会受到各种形式的扰动。例如，在实验室内，一个原子穿过空间的速度可以很容易地达到100米/秒，这种动作可通过多普勒效应转变电子跃迁的频率。就是这种现象影响了救护车报警器以及其他面向收听者的声源的音调。与其他原子的电子云之间的互动也可改变电子状态的能量，这种互动会使得电子偏离外部电磁场。扰动会降低时钟的精确度：即原子的平均频率偏离其自然、未受干扰的值的差值。其中一些此类偏移可以去除，并且时钟设计的更改也有助于尽量减少这类偏移。事实上，其中最引人注目的一次改进发生于20世纪90年代早期，当时物理学家研发了喷泉钟。这种时钟使用一束激光向上发射冷却的铯原子，仿佛它们是从喷泉喷出的水滴，这样，向上运动导致的多普勒偏移几乎抵消了原子下落时产生的所有偏移。但是现在的铯钟已无法再改进了。微小的提高也越来越难以实现，并且我们目前努力作出的任何改进都将需要很长时间。这是因为铯钟正提高我们用于评估时钟的其他关键指标的上限：它们的频率稳定性。频率稳定性表示时钟频率随时间波动的方式。频率越不稳定，频率噪声就越大，因此时钟频率有时会略高于或略低于平均值。通过细致的工程设计，可以尽量减少大部分频率噪声来源。但仍存在一个根本的不稳定来源，非常难以克服，因为它源自量子力学的概率性质。要理解这一点，让我们回顾一下原子钟的基本工作原理。我们通常会使用频率与跃迁频率不完全匹配的辐射激发原子钟内的电子。这是因为将被激发的电子可能会沿着钟形曲线分布。在钟形曲线的两侧，更容易看到频率是否发生微小变化，这是因为此类变化会产生更易检测的效应，大幅增加或降低电子被激发的可能性（见插图“寻找频率”）。正因为如此，在原子钟的日常工作期间，设定的时钟辐射仅有50%的概率让任何给定的原子进行时钟跃迁。但即使将时钟辐射频率精确地设置在这一点，电子也会在测量后处于激发或未激发状态。然后，伺服环路会错误地假定时钟辐射频率过高或过低，并会引入不适当的频率校正值。这些错误校正在时钟内产生更多噪声，我们称之为量子投射噪声（QPN），而它们正是最好的铯钟内频率不稳定性的主要来源。像许多随机噪声源一样，QPN的平均水平随时间而降低。观察时钟的时间越长，频率中的随机向上偏移就会更经常地抵消向下偏移，并且噪声最终变得可忽略不计。美中不足的是，这个过程在铯原子中需要很长时间来完成：最好的铯钟的稳定性需要大约一天才能达到2×10-16——铯钟的稳态精度水平。（计量人员通常以分数单位来测量精度和稳定性等参数。对于频率为9.2千兆赫的铯钟来说，频率中2×10-16的精度转化成1.8微赫的不确定性。）我们可以进行一系列实验，让铯钟变得更精确。但每个测量值都必须包含经过很长时间采集的大量数据，以便尽量减少测量值之间的随机波动。在一系列旨在让时钟精度达到10-17（提高20倍）的实验中，一个测量值可能就需要一整年时间才能得出。幸运的是，还有其他方式可以尽量减少QPN。不管频率高低，噪声都是相同的，但其相对影响会随着频率升高而降低。而且正如平均QPN会随着观察时钟的时间增加而减少，增加同一时间询问的原子数量也会提升信噪比。一次采样的数量越多，进行时钟跃迁的原子数量的不确定性就越低。移至更高的频率是激励光学原子钟研发工作的推动力。第一台光学原子钟诞生于20世纪80年代初，现在采用的材料包括各类中性或离子化元素，例如汞、锶、钙、镱和铝。它们的共同点是共振频率比较高，位于光谱内，大约几十万千兆赫，是铯频率的1万倍。使用较高频率可减少QPN，并且还会降低几个可以导致时钟频率偏移的因素的相对影响。其中包括与来自地球或附近金属（例如巴黎的地铁线路）的外部磁场之间的相互作用。另外一个好处是，如果使用离子制造的光学钟，这些带电原子会很容易地被束缚在一个振荡电场内，这将消除原子的大部分动作，从而有效地消除多普勒效应。但是光学钟也有自己的局限性。如果时钟的所有其他方面都一样，那么转至光学频率应该会将QPN降低到铯原子的0.01%。但是许多光学钟都是使用离子而非中性原子制成的，例如铯钟使用的离子。由于它们已充电，离子非常容易捕获，但如果紧靠在一起，它们也会很容易互相推开，从而造成难以控制的动作，并导致产生多普勒频率偏移。因此，这类时钟倾向于每次仅使用一个离子，所以其稳定性仅为最好的铯钟的约20倍，精确度仅为25倍，而铯钟可轻松包含上百万个原子。为了更接近光学钟所承诺的将稳定性提升1万倍的目标，我们必须找到一种方法来提高光学钟内的原子数量，同时询问更多原子，以便达到QPN的平均值。利用光晶格钟，研究人员认识到他们可以做得更好，同时测量1万个或者更多原子。这当然并非易事。要使用1万个原子制造一部时钟，就必须找到一种方法，实现一个既具有紧凑结构（以尽量降低多普勒效应）又具有极低密度（以尽量减少原子间的电磁相互作用）的原子集合体。典型晶体内的原子移动速度太快，相互作用太强烈，不适合采用，因此最佳方法是制作一种独创晶格的人工材料。要制作一台光晶格钟，开始工作与许多冷原子实验大致相同，使用一个由移动缓慢、激光冷却的中性原子构成的集合体。把这些原子发送到一个真空容器内，其中包含一条已发射回自身的激光束。激光束与自身重叠的区域内产生一个干涉图样，创造出一个由数千个光“煎饼”构成的光晶格。由于一股力量将原子拖向光强度最大的点，因此原子像鸡蛋落入蛋盒一样落入晶格。一旦原子都落入各自位置，我们就使用一条单独的“时钟激光束”激发原子，从而测量时钟跃迁的频率。难点在于，控制时钟原子落入晶格并非易事。较为廉价的激光器的输出功率单位为毫瓦。而要创建一个足以捕获并困住中性原子的晶格，我们需要功率为几瓦的光线。但是，如此强大的激光束会改变时钟原子内的能级，使其跃迁频率远远偏离自然状态。偏移量将随着捕捉光的强度而变化，并且该强度很难控制。即使非常小心地校准，这类较大的频率偏移也会导致时钟的精确度大幅降低，甚至远低于首批铯钟。幸运的是，物理学家英敏香取（Hidetoshi Katori）在本世纪初提出了一个解决方案。当原子被捕捉光击中时，与每个电子轨道相关联的能量就会减少。当时在东京大学任职的英敏香取注意到，每个轨道的响应各不相同，能量偏移取决于捕捉光的波长。对于一个特定的“神奇”波长而言，两条轨道的偏移将完全相同，因此这两条轨道之间的能量差也将保持不变。如果无论原子是否被困住，时钟频率都保持不变，则会产生这种神奇波长，并且每种元素的波长各不相同。锶的神奇波长为813纳米，位于光谱的红外部分；镱的神奇波长位于光谱的紫外部分，为362纳米。当英敏香取提出他的构想时，我在巴黎天文台时间-空间参照系统（LNE-SYRTE）部门的团队负责维护法国的参照时间和频率信号，并且已经开始研究将锶用于光学钟。我们几乎立即开始工作，看看我们是否能够用锶制作光晶格钟，率先与另外两个在处理冷却锶方面拥有长期经验的团队展开竞争：英敏香取在东京的团队和叶军在科罗拉多博尔德JILA研究所的团队。历经10年并且在完成许多项目之后，其他团队也使用锶和镱制作了晶格钟。更多使用汞或镁的实验项目也在进行之中，这些项目需要更高的频率，但对激光器的要求不高。在过去几年里，让光晶格钟更加精确的一个关键因素是光谱范围非常窄的时钟激光，本质上只是一个特定频率的小尖峰。我们需要这类激光来有效地探索时钟跃迁频率周围的区域，以便细致地观察时钟频率的细微偏移如何影响跃迁概率。制作窄激光的最佳方法是将其馈入一个镜像腔，称为“法布里-珀罗腔”。在这个共振腔内来回反射达到100万次以后，任意波长的光线将对自身进行干扰并抵消。只有波长为空腔长度的单位分数的激光光线才会显现。尽管共振腔有助于滤除激光源频率的自然波动，但该技术并不完美。从共振腔内显现出来的时钟激光频率可能由于热波动而不停摇晃，导致共振腔轻微膨胀或收缩。但在过去几年里，研究人员已经找到方法来帮助减轻这种影响。增加共振腔的长度，从而减小长度细微变化造成的相对影响，振动因而得到抑制。共振腔也被冷却至低温温度，以限制热能量引起的微小膨胀和收缩。最终结果是得到了一个更加稳定的时钟激光器。如今，在准备和探测时钟原子的几秒钟内，429太赫兹的时钟激光可能在只有40毫赫兹左右的频率内随意移动。对于一个长度为几十厘米的典型共振腔而言，这相当于在准备和探测光学钟内原子的几秒钟内，其长度发生的变化（不超过一个质子大小的几个百分点）。主要由于这方面的努力，本来在铯钟需要一天时间、在光离子钟需要几分钟时间才可以达到的稳定性，现在光晶格钟只需1秒钟即可实现，接近于QPN限值。这种提高的稳定性使时钟本身成为一个工具。精确测量原子钟频率时收集数据需要的时间越少，就可以越快地使用时钟进行实验，研究如何提高时钟性能。事实上，就在美国国家标准与技术研究院展示光晶格钟首次频率稳定性改进成果的3年后，这类时钟的精确性就达到领先水平。时钟无法计算自身的精度。评估一部时钟时需要另一部可比较的时钟作为参照物。当光晶格钟于10年前首次研制成功时，最初的对比是在锶光晶格钟和铯钟之间进行的。这些测量结果就足以确定光晶格钟的早期承诺。但若要真正地弄清原子钟的精确性，关键在于直接对比两个同类型的时钟。如果它们像宣传的一样精确，则频率应该相同。因此，在于2007年完成首台锶光晶格钟之后，我们立即开始研制第二台。我们在2011年完成第二台锶光晶格钟，然后开始对两台光晶格钟进行首次对比，以便在不依赖铯钟的情况下，直接确定它们的精确性。在完成第二台光晶格钟后，之前检测不到的问题很快变得明显起来。的确如此，我们很快就发现了之前忽视的一些缺陷。其中之一是已经困在真空腔窗口的静电电荷的影响。我们必须让紫外线照在窗口上，以便有效地移除电荷。我们之前在《自然•通讯》发表的一篇文章，展示了我们的两台锶光晶格钟都可达到10-16的水平，有力地证实了这些时钟比最好的铯钟更加精确。之后英敏香取在日本和光理化学研究所的团队报告称，在类似的时钟上达到1018分之几，但这次是在低温环境中测量的。顺便说一下，光学钟的频率如此之快，没有哪种电子设备能够计算它的摆动。这类时钟对比依赖于一种仍在发展中的新技术：频率梳。这种技术采用长度为飞秒的激光波束，创建一个由连贯、等间距的齿构成的光谱，跨越可见光和红外光谱。实际上，它的功能类似于光学频率的“尺子”。对光晶格钟进行对比的能力推动我们继续开展重新定义“秒”的工作。在国际单位制可以重新定义之前，大量实验室必须证明它们可以实施新标准，并且比较其测量结果。需要确立共识，保证所有实验室意见一致。另外还必须确保全世界的计时一致，即通过对位于世界各地的大量微波时钟进行加权平均计算而创建的全世界时钟设定的时间——“协调世界时”以及其衍生的“国际原子时”都是一致的。铯钟利用卫星发出的信号实现“联网”，并通过微波传输进行对比。这对于微波时钟而言已经足够，但对于散发更加精确的光晶格钟信号来说太不稳定。但是不久以后，光学钟的国际对比将达到一个新的里程碑。专用相位补偿系统可消除线路引入的微小计时偏移，以此为基础的新光纤连接目前正在构建中。得益于一些国家和国际项目，我们能够使用此类“网络”，在巴黎的LEN-SYRTE和德国不伦瑞克联邦物理技术研究院（国家计量中心）首次对光晶格钟进行对比。进而完成与伦敦国家物理实验室之间的连接，该实验室拥有锶和镱离子时钟。这些努力为建立一个国际计量网络铺平了道路，该网络可能会促使为“秒”制定新的标准。与此同时，科学家们已经将光晶格钟用作探索自然的工具了。其中一个重点是测量两个使用不同类型原子制造的时钟之间的频率比。该比值取决于基本物理常数，如精细结构常数，如果其结果是随着时间或地点发生变化，就可能揭示新的物理学现象。光学钟也可能为天文学家带来益处。原子钟用作射电天文学的时间基准，让天文学家可以将使用分隔数百或数千公里的望远镜所收集的光线结合在一起，产生一个虚拟望远镜，其角度分辨率相当于横跨整个距离的单个望远镜所具有的角度分辨率。随着光学原子钟日益成熟，它们可以促使光学望远镜具备类似的功能。不难想象，光晶格钟可能会让我们更深入地了解脚下的世界。根据爱因斯坦的广义相对论，位于地球密度较大部分的时钟走动比位于密度较小部分的时钟慢。尽管可以使用重力仪测量任一点的重力，但测量重力势——可能会揭示地球内部不同的深层结构——则必须通过整合地球表面不同点上的重力仪测量结果或者测量卫星轨道来完成。计量学家和大地测量工作者现已联手研究光晶格钟能够发挥的作用。有可能会将它们散布在全球的不同点上，为石油探测、地震监测和火山预测等工作提供帮助。与此同时，在不断提高光晶格钟的稳定性和精确性方面还有许多工作要做。我们已经开展大量研究来减轻黑体辐射的影响。非零温度下，任何物体都会不可避免地发出这类辐射，包括容纳时钟原子的真空腔。当真空腔与原子相互作用时，会改变时钟跃迁的能量水平。这种偏移可以在事后进行校正，但必须获得真空腔的精确温度和辐射率。另外，还可以将原子封闭在一个低温环境中，或者使用本身对黑体辐射敏感度较低的原子种类（例如汞），我们的团队正在研究这一途径。在2020年之前，新一代的超窄激光器也有可能帮助将1秒数据采集后的稳定性提升至10-17。这将让我们可以实现高于10-18的精度——比铯钟精度高100倍。随着光晶格钟变得越来越精确，其应用范围也将不断扩大。但即使光晶格钟大获成功，我们也不会放弃铯钟，后者的结构更加紧凑，且造价较低。在未来，光晶格钟可能会被频率更高的时钟取代，这种时钟依赖原子核内的能量跃迁，而非围绕其周围的轨道上电子之间的能量跃迁进行工作。尽管研究人员已经开始相关探索，但这类核跃迁大多超出当前激光技术的能力范围。但不久以后，另一个时间标准将会诞生，可能会对我们与宇宙之间的关系产生巨大影响。正如时间永不止步一样，我们测量时间的能力也将不断提升。－ The End －
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