2002年5月，数十位世界顶级的钟表制造者聚集在新奥尔良，参加为期一周的会议，展示他们的最新发明。 他们中没有一位是机械师；这些人是科学家，他们的谈话充满了光谱和量子能级的术语，而不是齿轮和擒纵机构。今天，那些想要制造更精确时钟的人必须同时在物理学和工程学的多个前沿领域取得进展。他们正在拼凑激光器，这种激光器可以发射万亿分之一秒的脉冲，以及将原子冷却到绝对零度以上百万分之几度的腔室。他们正在用光和磁的焦油坑捕捉单个离子，并操纵电子在其轨道上的自旋。
由于重大的技术进步，超精密计时的艺术正以30多年来未曾见过的速度发展。如今，一台好的铯束钟，比如Symmetricon公司售价49,000美元的那种，每秒的滴答声在一个月内误差约为一微秒，其频率精度为5×10-13。美国的主要时间标准，是国家标准与技术研究院（NIST）于1999年在科罗拉多州博尔德实验室安装的铯喷泉钟，其精度为5×10-16（通常简写为1016）。这比NIST在1975年最好的时钟精度高出1000倍。但计划于2008年搭载国际空间站的太空时钟，预计其不确定性约为10-17。新型时钟设计的成功原型——从钙原子或汞离子而不是铯原子中提取时间的设备——让物理学家们预计，精度很快将达到1018范围，在不到十年的时间里提高1000倍。
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“精度”可能不太确切。秒在1967年被国际协议定义为铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁对应的辐射的9,192,631,770个周期持续的时间。暂时抛开这意味着什么：关键是，要测量一秒，你必须观察铯原子。很快，最好的时钟将不再使用铯原子——严格来说，它们将不再测量秒。这是钟表制造者面临的一个困境。
更进一步，存在一个更根本的限制：正如阿尔伯特·爱因斯坦提出的理论和实验所证实的那样，时间不是绝对的。当引力变强时，或者当时钟相对于观察者快速移动时，任何时钟的速率都会减慢——即使是电子重新定向其磁极或从一个轨道跃迁到另一个轨道时发出的单个光子也是如此。通过将超精密时钟放置在空间站上，科学家们希望对相对论进行迄今为止最严峻的考验。但是，一旦时钟达到1018的精度——这相当于在宇宙年龄范围内偏差小于半秒——相对论效应将考验科学家们。目前还没有技术能够以如此精确的程度同步世界各地的时钟。
18——这相当于在宇宙年龄范围内偏差小于半秒——相对论效应将考验科学家们。目前还没有技术能够以如此精确的程度同步世界各地的时钟。
精度的发明
那么，为什么要费力改进原子钟呢？秒的持续时间已经可以测量到小数点后14位，精度是任何其他基本单位的1000倍。改进的理由之一是，秒正日益成为基本单位。其他六个基本单位中的三个——米、流明和安培——现在都是用秒来定义的。千克和摩尔可能是下一个。国家标准与技术研究院的理查德·L·施泰纳说：“千克被重新定义只是时间问题。” 使用著名的E = mc
2 方程，科学家们可以将质量单位设置为等量的能量，例如频率总和为某个数值的光子集合。通过改进时钟，科学家们可以改进对时间以外更多量的测量。
更稳定和便携的时钟设计也可能对导航大有裨益，提高全球定位系统和伽利略（欧洲正在开发的竞争系统）的精度和可靠性。更好的时钟将帮助NASA跟踪其卫星，使公用事业和通信公司能够追踪其网络中的故障，并提高地质学家精确定位地震和核弹试验的能力。天文学家可以使用它们以显著锐化图像的方式连接望远镜。廉价的微芯片尺寸原子钟[见下方方框] 很可能具有无数尚未想象到的用途。
要理解为什么计时技术突然进入高速发展阶段，了解原子钟的工作原理会有所帮助。原则上，原子钟就像任何其他计时器一样，有一个以规则方式滴答的振荡器和一个将滴答转换为秒的计数器。铯钟的振荡器不是机械的（如摆锤）或机电的（如石英晶体）。它是量子力学的：光子被铯原子最外层的电子吸收，导致电子的磁场（及其相关的自旋）上下翻转。
与摆锤和晶体不同，所有铯原子都是相同的。并且每个原子都会在受到频率恰好为每秒 9,192,631,770 周的微波照射时翻转其自旋。为了测量秒，时钟将其微波发生器锁定在光谱中的最佳点，即大多数铯原子发生反应的点。然后它开始计数周期。
当然，量子物理学中没有什么是真正那么简单的。像往常一样，复杂化问题的是海森堡不确定性原理，它严格限制了人们可以精确测量单个光子频率的程度。现在最好的时钟扫描一个一赫兹宽的最佳点，以找到其精确中心，每次测量的误差为正负一毫赫兹——尽管存在海森堡极限。宾夕法尼亚州立大学的物理学家库尔特·吉布尔在新奥尔良解释说：“我们之所以能做到这一点，是因为我们每次都观察超过一百万个原子。因为它实际上不仅仅是一次测量，所以它不违反量子力学定律。”
但这种解决方案会产生其他问题。在室温下，铯是一种柔软的银白色金属。它会在你的手掌中融化成金色的水坑——尽管你不会想触摸它，因为它会与水剧烈反应。在铯束钟内部，烤箱加热金属直到原子沸腾。这些热粒子可以以各种速度和角度穿过微波腔。有些原子移动得如此之快，以至于（由于相对论）它们的行为就好像时间变慢了一样。对于其他原子，微波看起来（由于多普勒频移）频率高于或低于实际频率。原子不再表现得相同，因此滴答声变得不那么清晰。
海森堡博士可能会建议减慢原子速度，而这正是钟表制造者所做的。世界上最好的四五个时钟——在NIST、华盛顿特区美国海军天文台以及巴黎和德国不伦瑞克的标准研究所——都将超冷铯原子球以喷泉状弧线抛过微波腔[参见第46页《计时编年史》中的插图]。为了将热铯气体凝结成球，六束相交的激光束将原子减速到低于两微开尔文——几乎完全静止。低温几乎消除了相对论和多普勒频移，并使两米高的喷泉钟有半秒钟的时间来翻转原子自旋。1996年推出的喷泉钟迅速将国际原子时间的不确定性降低了90%。
太空中的时间
制造一个好的秒需要时间，而喷泉钟仍然在赶时间。“如果我们想将观测时间增加一倍，我们就必须将塔的高度增加四倍，”NIST时间和频率部门主管唐纳德·沙利文说。沙利文没有在他的实验室天花板上打洞，而是领导着三个将喷泉式时钟放置在国际空间站上的项目之一。“在太空中，我们可以以每秒15厘米的速度发射原子球穿过74厘米的腔室。因此，我们有5到10秒的时间来观察它们，”他解释说。他参与的耗资2500万美元的太空主原子参考钟（PARCS）项目应该能够产生精度为5×10-18的秒。
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如果PARCS按计划在2009年发射，那么欧洲航天局的设备ACES（太空原子钟集成）可能会在空间站上与其会合。这两个时钟的目标是以99.99997%的精度测量低地球轨道微重力与地面测量相比减慢时间的程度。
第三个时钟，称为RACE（铷原子钟实验），计划紧随其后。顾名思义，RACE将用另一种碱金属元素取代钟表制造者熟悉的铯。吉布尔解释说，在最好的铯喷泉中，最大的误差来源是所谓的冷碰撞，他负责RACE项目。“在接近绝对零度的温度下，量子物理学开始起作用，原子开始表现得像波一样。它们看起来比正常情况下大数百倍，因此它们碰撞得更频繁。他继续说：“在微开尔文下，铯具有几乎最大的可能横截面。但铷原子的有效尺寸小50倍。这应该使RACE能够达到10-17的精度，是PARCS和ACES不确定性的五分之一。”
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铷钟还具有另一个优势：有机会寻找精细结构常数α的波动。α决定了原子和分子中电磁相互作用的强度。它非常接近1/137，这是一个无量纲数，它从物理学的标准模型中脱颖而出，但没有明显的理由说明其值。然而，这是一个重要的数字——稍微改变α，宇宙就无法支持我们所知的生命。
在标准模型中，精细结构常数在整个永恒中是不可变的。但在一些竞争理论（如某些弦理论）中，α可能会略微波动或随着时间的推移而增长。2001年8月，一组天文学家报告了初步证据，表明在过去60亿年中，α可能增加了百万分之一。但证据模棱两可，这个问题很难解决。通过将铷钟与基于铯和其他元素的时钟进行比较，科学家们或许可以将可能的α波动极限降低20倍。
激光统治
除了用铷取代铯之外，RACE将是一个相当标准的喷泉钟，它使用激光冷却原子，但使用微波来踢动电子并计时。这是一个经过验证且可靠的设计。但它很快就会过时。
2001年8月，NIST的斯科特·A·迪达姆斯和他的同事报告了一项短期试运行，这是许多时钟制造者认为他们可能永远无法看到的：基于单个汞原子的光学原子钟。从千兆赫兹频率的微波升级到太赫兹光谱中的可见光，这似乎是一个很自然的想法。光学光子包含足够的能量，可以将电子直接撞击到下一个轨道壳层——无需为自旋等细微之处而烦恼。但是，尽管计时器仍然在太赫兹频率下工作，但计数器却坏了。
没人知道如何计数每秒10
16个周期，加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室的埃里克·A·伯特观察到。“我们需要一座通往微波领域的桥梁，我们在那里有电子计数器。”
光学标尺应运而生。1999年，德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的托马斯·乌德姆、西奥多·W·汉施和其他人找到了一种直接测量光频率的方法，方法是使用脉冲频率为1千兆赫兹的参考激光器。每个光脉冲只有几十飞秒长。（飞秒是非常非常短的时间单位。每秒流逝的飞秒比自宇宙大爆炸以来经过的小时还多。）激光器发出连续的单色光束，但脉冲激光器会使每次闪光中产生多种颜色。飞秒脉冲的光谱是一种奇异的景象：数百万条清晰的线条跨越彩虹，每条线条与其邻居的间距完全相同——就像标尺上的刻度线。吉布尔摇着头说：“你可以制造出每秒脉冲十亿次且其组成频率都稳定在一赫兹的激光器，这简直令人难以置信。”
迪达姆斯在NIST的研究小组围绕汞离子构建了一个基本的光学钟表装置，他们将汞离子固定在电磁阱中[参见第60页和第61页的方框]。由于每个原子都缺少一个电子，因此离子带有正电荷。它们相互排斥，因此碰撞不再是问题。尽管该设备仍然太脆弱而无法持续运行，但在1秒的时间内，其稳定性优于6×10-17。在更长的时间段内，不确定性可能接近10-18。沙利文承认：“汞不是理想的元素。我们在其中使用的时钟跃迁可能会随着磁场而移动，而磁场很难完全消除。但在铟中存在一个看起来很有吸引力的跃迁。[中断]”
16以上。在更长的时间段内，不确定性可能接近1018。沙利文承认：“汞不是理想的元素。我们在其中使用的时钟跃迁可能会随着磁场而移动，而磁场很难完全消除。但在铟中存在一个看起来很有吸引力的跃迁。[中断]”
乌德姆和汉施比他领先一步。他们一直在研究铟离子，而且铟离子似乎确实能够将时钟带入10-18量级，正如吉布尔所说的那样。不伦瑞克联邦物理技术研究所和其他地方的研究小组正在用不带电的钙原子进行实验。由于中性原子可以比离子更密集地挤入陷阱中，因此信号比噪声高得多。“拥有50个离子的时钟是否比拥有1亿个中性原子的时钟更好，这仍然是一个悬而未决的问题，”吉布尔思考道。
不恒定的时间
然而，无论如何，吉布尔说：“我们很快就会拥有精度达到10-17的时钟，这似乎很清楚。” 但又出现了“精度”这个词。沙利文指出，光学时钟偏离了秒的原子定义，后者是基于铯的特性。“为了使最新最好的时钟严格地成为我们设定手表时间的守护者，这个定义将不得不改变。” 沙利文说，决定这类事情的国际计量局（BIPM）时间委员会最近接受了他的提案，允许辅助定义，声明铯频率与其他原子的频率等效。如果BIPM全体会议批准这个想法，秒的定义将被拓宽，但也会被削弱。
钟表制造者不会如此轻易地绕过相对论。精度为1×10-17的时钟——三百万年内误差为一毫秒——很容易受到两种相对论效应的影响。首先是时间膨胀：移动的时钟运行缓慢。吉布尔说：“10-17的频移对应于步行速度引起的时间膨胀。”
17——三百万年内误差为一毫秒——很容易受到两种相对论效应的影响。首先是时间膨胀：移动的时钟运行缓慢。吉布尔说：“10-17的频移对应于步行速度引起的时间膨胀。”
另一个混淆因素是引力。引力越强，时间过得越慢。珠穆朗玛峰顶部的时钟比海平面的时钟每年快大约30微秒。沙利文说：“当我们比较我们大楼不同楼层的时钟时，我们已经必须对此效应进行校正。将时钟抬高10厘米会使其速率改变1×10-17。” 与当地地质、潮汐甚至地下数英里的岩浆移动引起的重力变化相比，海拔高度相对容易测量。
17。与当地地质、潮汐甚至地下数英里的岩浆移动引起的重力变化相比，海拔高度相对容易测量。
最终，吉布尔说：“如果你将我们用微波时钟分割光谱线的能力外推到光学标尺，那就会使你的不确定性达到10-22量级。当然，我并不认为我们很快就会达到这个目标。而且也没有特别的迫切性：没有人知道如何在两个时钟之间如此精确地传递时间。如果一个时钟你既不能移动它，又不能对照另一个时钟进行检查，那它有什么用呢？”
22。当然，我并不认为我们很快就会达到这个目标。而且也没有特别的迫切性：没有人知道如何在两个时钟之间如此精确地传递时间。如果一个时钟你既不能移动它，又不能对照另一个时钟进行检查，那它有什么用呢？”