超精密时钟逼近计时学的最终前沿

2002年5月，在一个闷热的星期里，数十位世界顶级的制钟师齐聚新奥尔良，展示他们的最新发明。他们中没有一个是机械师；这些人是科学家，他们的谈话中充斥着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向物理学和工程学的多个前沿领域推进。他们正在拼凑出能喷射出万亿分之一秒脉冲的激光器，以及能将原子冷却到绝对零度以上几百万分之一度的腔室。他们正在用光和磁力的焦油坑诱捕单个离子，并操纵电子在其轨道中的自旋。

由于重大的技术进步，超精密计时的艺术正以30多年来未见的速度发展。如今，一台好的铯束钟，例如Microsemi公司售价约5万美元的那种，每月走秒的误差约为微秒级，其频率精度可达10¹³分之五。美国的主要时间标准，是由国家标准与技术研究院（NIST）于2014年在其科罗拉多州博尔德实验室安装的铯喷泉钟，其精度可达10¹⁶分之三（通常简写为10⁻¹⁶）。那是1975年NIST最佳时钟精度的2000倍。新型时钟设计——从铝或汞离子而不是铯中提取时间的设备——的成功原型最近已达到10⁻¹⁸范围内的精度，十年内提高了100倍。

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精度可能不太确切。秒在1967年由国际法令定义为“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个周期的时间长度。”暂且不谈这意味着什么：关键是，要测量一秒，你必须观察铯。现在最好的时钟不是这样——所以，严格来说，它们不测量秒。这是制钟师面临的困境之一。

更进一步来看，还有一个更根本的局限性：正如阿尔伯特·爱因斯坦所提出的理论和实验所证实的那样，时间不是绝对的。当重力增强或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国际空间站上，科学家们希望对相对论进行迄今为止最严峻的考验。但是，现在时钟已达到10⁻¹⁸的精度——这个比例相当于在宇宙年龄范围内偏差不到半秒——相对论的影响开始考验科学家。目前还没有技术能够以如此精确的方式同步世界各地的时钟。

发明精度

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。做得更好的一个原因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——现在都以秒为单位定义。千克和摩尔可能是下一个。“千克被重新定义只是时间问题，”NIST的理查德·L·斯坦纳说。使用著名的E = mc²方程，科学家可以将质量单位设置为等效的能量量，例如频率总和为某个数字的光子集合。通过改进时钟，科学家可以改进对时间以外更多事物的测量。

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（欧洲的一个竞争系统，最近开始初步运行）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戏剧性地锐化图像的方式连接望远镜。廉价的微芯片尺寸原子钟[参见上面的“原子微型时钟”] 可能具有无数尚未想象的用途。

要理解为什么计时技术突然进入高速发展，了解一点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，都有一个以规则方式“滴答”的振荡器和一个将滴答转换为秒的计数器。铯钟中的滴答器不是机械的（像摆锤）或机电的（像石英晶体）。它是量子力学的：铯原子最外层电子吸收一个光子，导致电子翻转其磁场（及其相关的自旋）上下颠倒。

与摆锤和晶体不同，所有铯原子都是相同的。并且每个铯原子在受到频率恰好为每秒9,192,631,770周的微波照射时，都会翻转其外层电子的自旋。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事情是真正那么简单的。像往常一样，使事情复杂化的是海森堡不确定性原理，该原理严格限制了人们可以多精确地测量单个光子的频率。现在最好的时钟会扫描一个一赫兹宽的最佳点，以找到其精确中心，在每次测量中误差为正负千分之一赫兹——尽管有海森堡极限。“我们之所以能够做到这一点，是因为我们每次观察超过一百万个原子，”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。“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。”

但是，该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——虽然你不会想触摸它，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已经变慢了一样。对于其他原子，微波似乎（由于多普勒频移）频率高于或低于实际频率。原子不再表现相同，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，而这正是制钟师所做的。世界上有几台时钟——在NIST、美国海军天文台以及巴黎、泰丁顿（英国）和不伦瑞克（德国）的标准研究所——将超冷铯原子球以喷泉状的弧线抛过微波腔[参见威廉·J·H·安德鲁斯的“计时编年史”]。为了将热铯气体冷凝成球，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，并且使两米高的喷泉钟有半秒钟的时间来翻转原子的自旋。喷泉钟于1996年推出，迅速将国际原子时的不确定性降低了90%。

太空中的时间

制造好的秒需要时间，而喷泉钟仍然在赶时间。“我们必须将塔的高度增加四倍才能使观测时间增加一倍，”NIST时间和频率部门的前主管唐纳德·沙利文说。沙利文没有在他的实验室天花板上打洞，而是领导了三个项目之一，将类似喷泉的时钟放置在国际空间站上。“在太空中，我们可以以每秒15厘米的速度将原子球发射穿过74厘米的腔体。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2500万美元的太空主要原子参考钟（PARCS）项目旨在产生精度为10¹⁷分之五的秒。

PARCS在2004年被取消，当时NASA将资金从空间站转移到将宇航员送往月球以及最终送往火星的项目。但是欧洲航天局的一个名为ACES（太空原子钟组合）的设备计划于2018年发射，旨在以99.99997%的精度测量低地球轨道的微重力与地面测量的相比，减慢了多少时间。

与此同时，制造第三个太空飞行时钟RACE（铷原子钟实验）的努力，帮助改进了一种更新的方法，该方法用另一种碱金属元素取代了制钟师熟悉的铯。“在最好的铯喷泉中，最大的误差来源是所谓的冷碰撞，”吉布尔解释说——他在新奥尔良指导了与PARCS一起在2004年夭折的RACE项目。在接近绝对零度的温度下，量子物理学接管了一切，原子开始表现得像波。“它们看起来比正常情况大数百倍，因此它们碰撞的频率更高。在微开尔文温度下，铯的有效截面几乎达到最大值，”他继续说道。“但是铷原子的有效尺寸小50倍。”这使得铷钟可以达到10⁻¹⁷，是ACES不确定度的五分之一。

铷钟还提供了另一个优势：寻找精细结构常数α (alpha) 波动性的机会。Alpha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，这是一个无量纲的数字，从物理学的标准模型中得出，对于它具有的值没有明显的原因。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 [参见约翰·D·巴罗和约翰·K·韦伯在第70页上的“不恒定的常数”]。

在标准模型中，精细结构常数在整个永恒中是不可变的。但是在一些竞争理论（例如某些弦理论）中，α可能会略有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，表明在过去的六十亿年中，α可能增加了万分之一。但是证据模棱两可，而且这个问题很难解决。通过分析来自遥远星系的无线电信号，天文学家在2月份得出结论，如果α在波动，那么在过去的29亿年中，它的变化不超过百万分之一左右。

激光统治

事实上，近年来离子钟的发展使基于原子喷泉的时钟几乎显得过时。2001年8月，斯科特·A·迪达姆斯和他在NIST的同事报告了一项初步试验运行，这是许多制钟师认为他们可能永远无法活着看到的东西：基于单个汞原子的光学原子钟。从千兆赫兹频率的微波毕业到太赫兹光谱范围内的可见光，这似乎是一个很自然的想法。光学光子包含足够的能量，可以将电子撞击到下一个轨道壳层——无需理会自旋之类的细微之处。但是，尽管滴答器仍然在太赫兹频率下工作，但计数器却坏了。

“没有人知道如何计数每秒10¹⁶个周期，”NASA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，在那里我们确实有电子计数器。”

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，使用脉冲频率为每秒十亿次的参考激光器。每个光脉冲只有几十飞秒长。（飞秒是非常非常短的时间量。每秒流逝的飞秒比自宇宙大爆炸以来经过的小时还多。）激光器发出的连续光束只有一种颜色，但是脉冲激光器，你会在每次闪光中得到颜色混合。飞秒脉冲的光谱是一种奇特的景象：数百万条尖锐的线条跨越彩虹，每条线条与其邻居之间的距离完全相同——就像标尺上的刻度线。“你可以制造一台每秒脉冲十亿次且其组成频率都稳定到一赫兹的激光器，这简直令人难以置信，”吉布尔在新奥尔良摇头说道。

迪达姆斯在NIST的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[参见上面“从原子中提取时间”图表]。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。该设备在一秒钟内的稳定性优于10¹⁶分之六。在更长的时间内，不确定性可能接近10⁻¹⁸。“汞不是理想的元素，”沙利文承认。“我们在其中使用的时钟跃迁会随着磁场而移动，而磁场很难完全消除。但是铟中的跃迁看起来很有吸引力。”

乌德姆和汉施领先他一步。他们一直在研究铟离子，而且它似乎确实有能力将时钟带入“18级”，正如吉布尔所说的那样。德国不伦瑞克联邦物理技术研究所和其他地方的小组正在尝试使用不带电的钙原子。由于中性原子可以比离子更密集地挤入陷阱中，因此信号远远高于噪声。2015年，一个由NIST领导的团队报告了基于锶87原子的光晶格钟的成功演示；不确定性被确定为10¹⁸分之二。一个德国研究小组在2016年报告了几乎同样好的精度，基于单个镱171离子的系统精度为10¹⁸分之3.2。NIST小组还使用镱作为晶格钟，实现了10¹⁸分之1.6的精度。

不恒定的时间

但是，又出现了那个词：精度。沙利文指出，这些新型时钟“偏离了秒的原子定义，而秒的原子定义是基于铯的特性”。为了使最新和最好的时钟严格来说是作为我们设置手表的时间的守时器，该定义将必须更改。沙利文说，国际计量局（BIPM）的时间委员会（决定此类事情的机构）接受了他的提议，允许“二级”定义，声明铯频率与其他原子的频率相等。如果BIPM全体大会批准该想法，则秒的定义将扩大，但也会被削弱。

制钟师不会轻易绕过相对论。精度为10¹⁷分之一的时钟——三百万年中的千分之一秒——很容易被两种相对论效应搞乱。首先，存在时间膨胀：移动的时钟运行缓慢。“10⁻¹⁷的频移对应于步行速度引起的时间膨胀，”吉布尔说。

另一个混淆因素是重力。引力越强，时间流逝得越慢。珠穆朗玛峰顶端的时钟比海平面的时钟每年快大约30微秒。当NIST研究人员同步两台量子逻辑时钟，然后将其中一台时钟抬高33厘米时，他们发现这些时钟明显不同步。将时钟抬高10厘米会使其速率改变10¹⁷分之一。与当地地质、潮汐甚至地下数公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。

吉布尔说，最终，“如果你将我们使用微波时钟分割光谱线的能力外推到光学标尺，那会将你的不确定性置于10⁻²²量级。但是，我当然不会声称我们会在短期内达到目标。”没有特别的紧迫性：没有人知道如何在两个时钟之间如此精确地传输时间。如果你不能移动时钟并且不能与另一个时钟进行检查，那么时钟有什么用呢？