铯原子钟，生日快乐。现在请让位。作为曾经用于定义时间本身的原子钟迎来60岁生日之际，旨在挑战铯原子钟的新一代原子钟测试即将开始。
这类计时器将能够进行各种实验，包括测试自然基本常数是否真的随时间推移保持不变，并最终实现更精确的秒的官方定义。
原子钟跟踪原子在能量状态变化时发射的电磁波频率。英国物理学家路易·埃森于1955年6月首次演示了原子钟，铯原子钟于1967年成为世界官方计时器——将秒定义为铯原子在状态切换时吸收或发射的微波完成9,192,631,770次振荡所需的时间。
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在过去十年中，各个实验室已经创建了原型光学原子钟，它们使用不同的元素，例如锶和镱，这些元素在可见光谱中发射和吸收更高频率的光子。原则上，这种对时间的更精细划分应该使它们更精确：据称，这些时钟中最好的时钟每150亿年（1018 秒）的误差不超过一秒——比当前宇宙的年龄还要长——使其精度比铯原子钟高100倍。光学原子钟据称是现存最好的计时器，但实际验证这一点的唯一方法是将不同的模型相互比较，看看它们是否一致。
从6月4日开始，四个欧洲实验室将启动这一测试过程——英国泰丁顿的国家物理实验室 (NPL)；巴黎天文台时间-空间参考系统部门；德国不伦瑞克的德国国家计量研究院 (PTB)；以及意大利都灵的国家计量研究院。这些实验室共同拥有各种光学原子钟，这些时钟利用不同的实验装置中的不同元素。
对于首次测试，每个研究所都将向卫星传输与其时钟的光学频率相关的信号，卫星会将频率束缚回其他实验室。这将使实验室能够比较其时钟发射的光的频率，从而测量它们是否都以相同的节拍计时。
“这真的很令人兴奋，”美国国家标准与技术研究院 (NIST) 在科罗拉多州博尔德运营的光学原子钟强国物理学家安德鲁·卢德洛说，他没有参与该项目。“之前已经进行过几次光学原子钟的比较，但规模远不及这次。” NPL 的物理学家海伦·马戈利斯补充说，时钟越多，就越容易找出任何差异的来源。
她指出，更高的频率并不一定意味着更精确的时钟，因为对环境因素的不同敏感性会影响不同时钟在实践中保持时间的能力。希望所有时钟都能够达成一致，表明它们的精度与声称的一样高。如果有些时钟不一致，则表明需要改进。
然而，最初的测试只是更精确测试的序幕，因为它有一个很大的局限性：要将光束缚到卫星，必须将其转换为微波频率——这意味着使用可见光获得的许多潜在额外精度都会丢失。通过提高数据传输速率，欧洲实验室希望将当前最先进的卫星比较的精度提高十倍，但这仍将限制在十万亿分之一。研究人员表示，因此，卫星测试的主要功能是建立对光学原子钟的信心，并表明它们的性能至少与现有铯原子钟一样好。
更精确的测试将通过光纤电缆以可见光谱传输信号到实验室。这将使时钟能够以类似于时钟自身预期精度的精度进行比较。一些实验室已经建立了这样的连接，并且巴黎和泰丁顿之间以及巴黎和不伦瑞克之间的部分测试已经开始。“最终，这将允许进行四方比较。这就是愿景，”马戈利斯说。
“存在友好的竞争，”她补充道。“我们都认为我们的时钟在实现最高精度方面具有非常好的潜力，否则我们就不会致力于它们。”
光学原子钟之间的光纤链路已经在其他地方存在，例如 NIST 实验室与其合作伙伴 JILA 实验室之间，JILA 也位于博尔德。但这些链路的跨度比欧洲网络短，而且主要只是在两个实验室之间。“欧洲的独特之处在于它拥有世界上最高密度的最佳时钟，”PTB 的物理学家弗里茨·里勒说。
即使时钟通过了后来的测试，要取代铯原子钟以创建更精确的秒的定义也并非易事。国际原子时——协调世界时 (UTC) 的基础——目前是通过平均数百个原子钟的测量值来计算的。使用光学原子钟进行相同的操作将需要一种以如此精确的水平聚合时间的方法；目前尚无法跨越海洋使用光纤方法。
与此同时，越来越精确的时间对于改进全球定位系统、高分辨率射电天文学和金融交易的时间戳以及发现基本常数的微小变化非常重要。“大多数统一引力与其他力的尝试都会导致基本常数在膨胀的宇宙中发生变化，”纽瓦克特拉华大学的理论家玛丽安娜·萨夫罗诺娃说。
本文经许可转载，并于2015年6月6日首次发布。