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　　如果有一臺鐘，從宇宙大爆炸那一刻開始走時，一直走到今天，它的誤差還不到1秒，你會不會感覺不可思議？

　　2025年7月，中國科學(xué)家把科幻小說中的情節(jié)變成了現(xiàn)實。中國科學(xué)院國家授時中心研制的鍶87光晶格原子鐘達到了驚人的精度：160億年誤差僅1秒！這不僅讓中國成為全球第二個實現(xiàn)如此高時鐘精度的國家，更重要的是，它可能改變我們定義“秒”的方式，影響從GPS導(dǎo)航到引力波探測的方方面面。

　　鍶光鐘物理裝置

　　(圖片來源：參考文獻[2])

　　從日晷到原子鐘：人類追求精確時間的千年征程

　　人類對時間的追求，從太陽的影子開始。古人通過日晷觀察太陽位置來判斷時間，誤差以小時計。機械鐘的發(fā)明讓精度提升到分鐘級別，而石英鐘更是把誤差縮小到了秒。但真正的革命發(fā)生在1955年，英國國家物理實驗室制造出了第一臺銫原子鐘，人類第一次利用原子的量子特性來計時。

　　為什么原子能成為最精確的“時鐘”？這要從原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說起。每個原子都像一個微型太陽系，電子圍繞原子核運動。當(dāng)電子在不同能級之間躍遷時，會吸收或釋放特定頻率的電磁波。這個頻率極其穩(wěn)定，就像每個原子都有自己獨特的“心跳”。銫133原子的心跳頻率是9,192,631,770赫茲，也就是每秒振動超過90億次。

　　1967年，國際計量大會正式采用銫原子的振動頻率來定義“秒”：銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷輻射9,192,631,770個周期所持續(xù)的時間為1秒。這個定義一直沿用至今，支撐著全球的時間體系。目前最好的銫原子鐘精度可以達到3.2億年誤差1秒，這已經(jīng)是一個令人難以想象的高精度了。

　　然而，科學(xué)家們并不滿足。隨著科技的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)r間精度的要求越來越高。GPS衛(wèi)星定位需要納秒級的時間同步，相對論效應(yīng)的驗證需要更精確的時鐘，深空探測更是對時間精度有著苛刻的要求。銫原子鐘的精度已經(jīng)接近物理極限，是時候?qū)ふ倚碌摹坝嫊r員”了。

　　光晶格鐘：把原子關(guān)進“光牢籠”的奇思妙想

　　如果說銫原子鐘是利用微波頻率的躍遷，那么光晶格鐘則是利用光學(xué)頻率的躍遷。光的頻率比微波高10萬倍，理論上可以提供更高的計時精度。但要實現(xiàn)這一點，需要解決一個根本性的難題：如何讓原子保持絕對靜止？

　　原子在常溫下會不停地運動，速度可達每秒幾百米。運動的原子會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，就像救護車駛過時汽笛聲會變化一樣，原子發(fā)出的光頻率也會發(fā)生偏移。即使把原子冷卻到接近絕對零度，殘余的運動仍會影響測量精度。

　　2001年，日本科學(xué)家香取秀俊提出了一個想法：用激光創(chuàng)造一個三維的“光晶格”，把原子困在其中。想象一下，用很多束激光相互交叉，形成一個類似雞蛋托盤的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。每個“格子”都是一個勢阱，原子被牢牢地困在里面，就像雞蛋放在托盤的凹槽中。

　　但這還不夠。激光本身會對原子產(chǎn)生干擾，改變原子的能級結(jié)構(gòu)。香取秀俊的另一個創(chuàng)新是找到了“魔術(shù)波長”——在這個特定波長下，激光對原子上下兩個能級的影響完全相同，相當(dāng)于同時抬高或降低兩個能級，它們之間的能量差保持不變。這就像用托盤托著雞蛋，無論托盤升高還是降低，雞蛋之間的相對位置不變。

　　鍶87原子成為了光晶格鐘的理想選擇。它的鐘躍遷頻率在光學(xué)波段，約為429萬億赫茲，比銫原子鐘高了近5萬倍。更重要的是，鍶原子的能級結(jié)構(gòu)相對簡單，容易找到合適的魔術(shù)波長。當(dāng)鍶原子被冷卻到微開爾文量級(比絕對零度高百萬分之一度)并困在光晶格中時，它們就變成了近乎完美的“時間原子”。

　　中國突破：光晶格鐘的自主創(chuàng)新之路

　　中國科學(xué)院國家授時中心的這臺鍶87光晶格鐘，不是簡單的技術(shù)復(fù)制，而是融合了多項創(chuàng)新技術(shù)的結(jié)晶。要理解這些創(chuàng)新，我們需要了解影響原子鐘精度的幾個關(guān)鍵因素。

　　首先是黑體輻射。任何高于絕對零度的物體都會發(fā)出電磁輻射，室溫下的墻壁、儀器甚至空氣分子都在不斷發(fā)出紅外線。這些輻射會輕微改變原子的能級，造成頻率偏移。傳統(tǒng)方法是把整個裝置冷卻到極低溫度，但這會帶來巨大的技術(shù)復(fù)雜性和成本。

　　中國科學(xué)家采用了一個巧妙的方案：移動光晶格技術(shù)。他們讓原子在兩個區(qū)域之間移動——一個用于原子制備的常溫區(qū)，一個用于精密測量的控溫區(qū)。這就像在車間里組裝鐘表，然后送到恒溫恒濕的檢測室進行校準。通過精確控制溫度，黑體輻射的影響被降到了最低。

　　第二個挑戰(zhàn)是電場干擾。即使是極微弱的電場也會影響原子的能級，這種現(xiàn)象叫做斯塔克效應(yīng)。研究團隊在真空腔的窗口上鍍了一層特殊的透明導(dǎo)電膜，形成了一個法拉第籠，把外界電場完全屏蔽在外。這層膜只有幾百納米厚，既能導(dǎo)電又不影響激光通過，堪稱納米技術(shù)的杰作。

　　第三個創(chuàng)新是淺光晶格技術(shù)。傳統(tǒng)的光晶格為了牢牢困住原子，通常使用較強的激光功率。但強光本身會帶來額外的頻率偏移。中國科學(xué)家反其道而行之，使用較弱的激光創(chuàng)造“淺”的勢阱。雖然原子更容易逃逸，需要更頻繁地補充，但換來的是更小的系統(tǒng)誤差。

　　最關(guān)鍵的突破在于整個系統(tǒng)的可旋轉(zhuǎn)設(shè)計。原子在光晶格中并非完全靜止，它們會通過量子隧穿效應(yīng)在相鄰格點間移動。這種移動在重力方向上更明顯，會造成額外的頻率偏移。通過旋轉(zhuǎn)整個裝置，改變光晶格相對于重力的角度，科學(xué)家可以精確測量和補償這種效應(yīng)。這就像通過傾斜雞蛋托盤來研究雞蛋的滾動規(guī)律。

　　技術(shù)細節(jié)背后：如何測量10的負18次方

　　在這些創(chuàng)新技術(shù)的加持下，我國鍶87光晶格鐘在主要性能上達到世界領(lǐng)先水平，成為第二個實現(xiàn)光晶格鐘頻率不確定度和頻率不穩(wěn)定度均優(yōu)于2×10^-18的國家。

　　鍶光鐘頻率不穩(wěn)定度測量

　　(圖片來源：參考文獻[2])

　　要理解2×10^-18這個精度意味著什么，我們可以做個類比。如果把地球到太陽的距離(1.5億公里)測量到這個精度，誤差將只有0.3毫米——比一根頭發(fā)絲還細。在時間測量上，這相當(dāng)于宇宙年齡(138億年)的誤差不到1秒。

　　達到如此精度需要對每一個可能的誤差源進行精確評估和控制。研究團隊花費數(shù)年時間，逐一攻克了十多項系統(tǒng)誤差：黑體輻射頻移控制到1.1×10^-19，晶格光AC斯塔克頻移降到8.8×10^-20，原子間碰撞頻移抑制到3×10^-19……每一項都代表著技術(shù)的極限挑戰(zhàn)。

　　更令人印象深刻的是頻率穩(wěn)定度的測量。研究團隊采用了分時自比對技術(shù)——讓同一個原子鐘在不同時間與自己比較。這需要極其穩(wěn)定的鐘激光系統(tǒng)，其線寬只有1赫茲，相當(dāng)于激光頻率的穩(wěn)定度達到10^-15量級。配合國產(chǎn)光纖激光器提供的大功率、低噪聲光源，整個系統(tǒng)可以連續(xù)運行數(shù)天而不失鎖。

　　最終的測量結(jié)果顯示，這臺光晶格鐘的頻率不確定度達到1.96×10^-18，頻率不穩(wěn)定度在平均時間超過10000秒時達到1.2×10^-18。這兩個指標(biāo)都優(yōu)于國際計量委員會對未來“秒”定義的要求，使中國成為繼美國之后第二個達到這一標(biāo)準的國家。

　　改變世界的精度：從導(dǎo)航到暗物質(zhì)探測

　　如此高的時間精度究竟有什么用？答案可能超出你的想象。

　　在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，時間誤差直接轉(zhuǎn)化為定位誤差。光速約為每秒30萬公里，1納秒的時間誤差就意味著30厘米的定位偏差。目前的GPS系統(tǒng)使用的是精度較低的原子鐘，定位精度在米級。如果換成光晶格鐘，理論上可以把定位精度提升到毫米級。這意味著自動駕駛汽車可以精確地行駛在車道中央，無人機可以在復(fù)雜環(huán)境中精確避障。

　　在基礎(chǔ)物理研究中，超高精度的時鐘是探測引力波的利器。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力波經(jīng)過時會造成時空的微小扭曲，這種扭曲會影響時鐘的走時。如果在地球不同位置放置多臺光晶格鐘，通過比較它們的時間差異，就可以探測到來自宇宙深處的引力波信號。

　　更令人興奮的是，光晶格鐘可能幫助我們探測暗物質(zhì)。一些理論預(yù)測，暗物質(zhì)會造成基本物理常數(shù)的微小變化。通過長期監(jiān)測光晶格鐘的頻率，科學(xué)家可以尋找這種變化的蛛絲馬跡。如果發(fā)現(xiàn)了，將是物理學(xué)的重大突破。

　　在地球科學(xué)中，光晶格鐘可以用來精確測量地球重力場。根據(jù)廣義相對論，時鐘在不同高度上的走時速率不同——海拔每升高1米，時鐘每年會快約100飛秒。利用光晶格鐘的超高精度，科學(xué)家可以繪制出精確到厘米級的地球重力場圖，監(jiān)測地下水位變化、預(yù)測火山爆發(fā)、探測地下礦藏。

　　伽利略定位系統(tǒng)衛(wèi)星使用的太空無源氫鐘，是其機載計時系統(tǒng)的主時鐘

　　(圖片來源：維基百科SkywalkerPL)

　　未來已來：重新定義“秒”的全球競賽

　　2022年，第27屆國際計量大會通過決議，計劃在2030年用光學(xué)原子鐘重新定義“秒”。這不是簡單的技術(shù)升級，而是人類計時體系的根本性變革。新的定義將不再依賴于單一的銫原子，而是基于多種光學(xué)躍遷的綜合。

　　要實現(xiàn)這個目標(biāo)，需要全球至少三個不同實驗室的光鐘達到2×10^-18的精度水平。目前，美國JILA實驗室的鍶光晶格鐘和NIST的鐿光晶格鐘已經(jīng)達標(biāo)，中國的加入讓這個目標(biāo)更加接近現(xiàn)實。

　　但競爭遠未結(jié)束。歐洲、日本、俄羅斯等國都在加緊研發(fā)自己的高精度光鐘。德國PTB實驗室的鍶光鐘正在沖擊10^-19的精度極限，法國SYRTE實驗室則在探索汞離子鐘的可能性。這場全球競賽不僅關(guān)乎科學(xué)榮譽，更關(guān)系到未來時間標(biāo)準的話語權(quán)。

　　中國在這場競賽中的優(yōu)勢不僅在于技術(shù)突破，還在于完整的產(chǎn)業(yè)鏈支撐。從國產(chǎn)光纖激光器到精密光學(xué)元件，從超高真空技術(shù)到量子操控系統(tǒng)，中國已經(jīng)形成了完整的光鐘技術(shù)體系。這為未來的應(yīng)用推廣奠定了堅實基礎(chǔ)。

　　結(jié)語：時間的新紀元

　　從日晷到原子鐘，從銫鐘到光晶格鐘，人類對時間的認識不斷深化。今天，中國科學(xué)家用160億年誤差1秒的精度，再次刷新了人類的時間極限。這不僅是技術(shù)的勝利，更是人類探索精神的體現(xiàn)。

　　當(dāng)我們擁有了如此精確的時間，我們不僅能更好地理解這個世界，還能探索那些以前無法觸及的領(lǐng)域。也許有一天，通過這些超精密的時鐘，我們能夠揭開暗物質(zhì)的神秘面紗，探測到來自宇宙邊緣的引力波，甚至發(fā)現(xiàn)物理定律在宇宙尺度上的微小變化。

　　時間，這個看似簡單卻又深邃的概念，正在中國科學(xué)家手中展現(xiàn)出前所未有的精彩。而這，僅僅是開始。