160亿年误差1秒：中国光晶格钟如何重新定义时间

如果有一台钟，从宇宙大爆炸那一刻开始走时，一直走到今天，它的误差还不到1秒，你会不会感觉不可思议？

2025年7月，中国科学家把科幻小说中的情节变成了现实。中国科学院国家授时中心研制的锶87光晶格原子钟达到了惊人的精度：160亿年误差仅1秒！这不仅让中国成为全球第二个实现如此高时钟精度的国家，更重要的是，它可能改变我们定义“秒”的方式，影响从GPS导航到引力波探测的方方面面。

锶光钟物理装置

（图片来源：参考文献[2]）

从日晷到原子钟：人类追求精确时间的千年征程

人类对时间的追求，从太阳的影子开始。古人通过日晷观察太阳位置来判断时间，误差以小时计。机械钟的发明让精度提升到分钟级别，而石英钟更是把误差缩小到了秒。但真正的革命发生在1955年，英国国家物理实验室制造出了第一台铯原子钟，人类第一次利用原子的量子特性来计时。

为什么原子能成为最精确的“时钟”？这要从原子的内部结构说起。每个原子都像一个微型太阳系，电子围绕原子核运动。当电子在不同能级之间跃迁时，会吸收或释放特定频率的电磁波。这个频率极其稳定，就像每个原子都有自己独特的“心跳”。铯133原子的心跳频率是9,192,631,770赫兹，也就是每秒振动超过90亿次。

1967年，国际计量大会正式采用铯原子的振动频率来定义“秒”：铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁辐射9,192,631,770个周期所持续的时间为1秒。这个定义一直沿用至今，支撑着全球的时间体系。目前最好的铯原子钟精度可以达到3.2亿年误差1秒，这已经是一个令人难以想象的高精度了。

然而，科学家们并不满足。随着科技的发展，许多领域对时间精度的要求越来越高。GPS卫星定位需要纳秒级的时间同步，相对论效应的验证需要更精确的时钟，深空探测更是对时间精度有着苛刻的要求。铯原子钟的精度已经接近物理极限，是时候寻找新的“计时员”了。

光晶格钟：把原子关进“光牢笼”的奇思妙想

如果说铯原子钟是利用微波频率的跃迁，那么光晶格钟则是利用光学频率的跃迁。光的频率比微波高10万倍，理论上可以提供更高的计时精度。但要实现这一点，需要解决一个根本性的难题：如何让原子保持绝对静止？

原子在常温下会不停地运动，速度可达每秒几百米。运动的原子会产生多普勒效应，就像救护车驶过时汽笛声会变化一样，原子发出的光频率也会发生偏移。即使把原子冷却到接近绝对零度，残余的运动仍会影响测量精度。

2001年，日本科学家香取秀俊提出了一个想法：用激光创造一个三维的“光晶格”，把原子困在其中。想象一下，用很多束激光相互交叉，形成一个类似鸡蛋托盘的三维网格结构。每个“格子”都是一个势阱，原子被牢牢地困在里面，就像鸡蛋放在托盘的凹槽中。

但这还不够。激光本身会对原子产生干扰，改变原子的能级结构。香取秀俊的另一个创新是找到了“魔术波长”——在这个特定波长下，激光对原子上下两个能级的影响完全相同，相当于同时抬高或降低两个能级，它们之间的能量差保持不变。这就像用托盘托着鸡蛋，无论托盘升高还是降低，鸡蛋之间的相对位置不变。

锶87原子成为了光晶格钟的理想选择。它的钟跃迁频率在光学波段，约为429万亿赫兹，比铯原子钟高了近5万倍。更重要的是，锶原子的能级结构相对简单，容易找到合适的魔术波长。当锶原子被冷却到微开尔文量级（比绝对零度高百万分之一度）并困在光晶格中时，它们就变成了近乎完美的“时间原子”。

中国突破：光晶格钟的自主创新之路

中国科学院国家授时中心的这台锶87光晶格钟，不是简单的技术复制，而是融合了多项创新技术的结晶。要理解这些创新，我们需要了解影响原子钟精度的几个关键因素。

首先是黑体辐射。任何高于绝对零度的物体都会发出电磁辐射，室温下的墙壁、仪器甚至空气分子都在不断发出红外线。这些辐射会轻微改变原子的能级，造成频率偏移。传统方法是把整个装置冷却到极低温度，但这会带来巨大的技术复杂性和成本。

中国科学家采用了一个巧妙的方案：移动光晶格技术。他们让原子在两个区域之间移动——一个用于原子制备的常温区，一个用于精密测量的控温区。这就像在车间里组装钟表，然后送到恒温恒湿的检测室进行校准。通过精确控制温度，黑体辐射的影响被降到了最低。

第二个挑战是电场干扰。即使是极微弱的电场也会影响原子的能级，这种现象叫做斯塔克效应。研究团队在真空腔的窗口上镀了一层特殊的透明导电膜，形成了一个法拉第笼，把外界电场完全屏蔽在外。这层膜只有几百纳米厚，既能导电又不影响激光通过，堪称纳米技术的杰作。

第三个创新是浅光晶格技术。传统的光晶格为了牢牢困住原子，通常使用较强的激光功率。但强光本身会带来额外的频率偏移。中国科学家反其道而行之，使用较弱的激光创造“浅”的势阱。虽然原子更容易逃逸，需要更频繁地补充，但换来的是更小的系统误差。

最关键的突破在于整个系统的可旋转设计。原子在光晶格中并非完全静止，它们会通过量子隧穿效应在相邻格点间移动。这种移动在重力方向上更明显，会造成额外的频率偏移。通过旋转整个装置，改变光晶格相对于重力的角度，科学家可以精确测量和补偿这种效应。这就像通过倾斜鸡蛋托盘来研究鸡蛋的滚动规律。

技术细节背后：如何测量10的负18次方

在这些创新技术的加持下，我国锶87光晶格钟在主要性能上达到世界领先水平，成为第二个实现光晶格钟频率不确定度和频率不稳定度均优于2×10^-18的国家。

锶光钟频率不稳定度测量

（图片来源：参考文献[2]）

要理解2×10^-18这个精度意味着什么，我们可以做个类比。如果把地球到太阳的距离（1.5亿公里）测量到这个精度，误差将只有0.3毫米——比一根头发丝还细。在时间测量上，这相当于宇宙年龄（138亿年）的误差不到1秒。

达到如此精度需要对每一个可能的误差源进行精确评估和控制。研究团队花费数年时间，逐一攻克了十多项系统误差：黑体辐射频移控制到1.1×10^-19，晶格光AC斯塔克频移降到8.8×10^-20，原子间碰撞频移抑制到3×10^-19……每一项都代表着技术的极限挑战。

更令人印象深刻的是频率稳定度的测量。研究团队采用了分时自比对技术——让同一个原子钟在不同时间与自己比较。这需要极其稳定的钟激光系统，其线宽只有1赫兹，相当于激光频率的稳定度达到10^-15量级。配合国产光纤激光器提供的大功率、低噪声光源，整个系统可以连续运行数天而不失锁。

最终的测量结果显示，这台光晶格钟的频率不确定度达到1.96×10^-18，频率不稳定度在平均时间超过10000秒时达到1.2×10^-18。这两个指标都优于国际计量委员会对未来“秒”定义的要求，使中国成为继美国之后第二个达到这一标准的国家。

改变世界的精度：从导航到暗物质探测

如此高的时间精度究竟有什么用？答案可能超出你的想象。

在卫星导航领域，时间误差直接转化为定位误差。光速约为每秒30万公里，1纳秒的时间误差就意味着30厘米的定位偏差。目前的GPS系统使用的是精度较低的原子钟，定位精度在米级。如果换成光晶格钟，理论上可以把定位精度提升到毫米级。这意味着自动驾驶汽车可以精确地行驶在车道中央，无人机可以在复杂环境中精确避障。

在基础物理研究中，超高精度的时钟是探测引力波的利器。根据爱因斯坦的广义相对论，引力波经过时会造成时空的微小扭曲，这种扭曲会影响时钟的走时。如果在地球不同位置放置多台光晶格钟，通过比较它们的时间差异，就可以探测到来自宇宙深处的引力波信号。

更令人兴奋的是，光晶格钟可能帮助我们探测暗物质。一些理论预测，暗物质会造成基本物理常数的微小变化。通过长期监测光晶格钟的频率，科学家可以寻找这种变化的蛛丝马迹。如果发现了，将是物理学的重大突破。

在地球科学中，光晶格钟可以用来精确测量地球重力场。根据广义相对论，时钟在不同高度上的走时速率不同——海拔每升高1米，时钟每年会快约100飞秒。利用光晶格钟的超高精度，科学家可以绘制出精确到厘米级的地球重力场图，监测地下水位变化、预测火山爆发、探测地下矿藏。

伽利略定位系统卫星使用的太空无源氢钟，是其机载计时系统的主时钟

（图片来源：维基百科 SkywalkerPL）

未来已来：重新定义“秒”的全球竞赛

2022年，第27届国际计量大会通过决议，计划在2030年用光学原子钟重新定义“秒”。这不是简单的技术升级，而是人类计时体系的根本性变革。新的定义将不再依赖于单一的铯原子，而是基于多种光学跃迁的综合。

要实现这个目标，需要全球至少三个不同实验室的光钟达到2×10^-18的精度水平。目前，美国JILA实验室的锶光晶格钟和NIST的镱光晶格钟已经达标，中国的加入让这个目标更加接近现实。

但竞争远未结束。欧洲、日本、俄罗斯等国都在加紧研发自己的高精度光钟。德国PTB实验室的锶光钟正在冲击10^-19的精度极限，法国SYRTE实验室则在探索汞离子钟的可能性。这场全球竞赛不仅关乎科学荣誉，更关系到未来时间标准的话语权。

中国在这场竞赛中的优势不仅在于技术突破，还在于完整的产业链支撑。从国产光纤激光器到精密光学元件，从超高真空技术到量子操控系统，中国已经形成了完整的光钟技术体系。这为未来的应用推广奠定了坚实基础。

几种时间测量方式的精度和误差水平

结语：时间的新纪元

从日晷到原子钟，从铯钟到光晶格钟，人类对时间的认识不断深化。今天，中国科学家用160亿年误差1秒的精度，再次刷新了人类的时间极限。这不仅是技术的胜利，更是人类探索精神的体现。

当我们拥有了如此精确的时间，我们不仅能更好地理解这个世界，还能探索那些以前无法触及的领域。也许有一天，通过这些超精密的时钟，我们能够揭开暗物质的神秘面纱，探测到来自宇宙边缘的引力波，甚至发现物理定律在宇宙尺度上的微小变化。

时间，这个看似简单却又深邃的概念，正在中国科学家手中展现出前所未有的精彩。而这，仅仅是开始。

参考文献：

[1]Lu X-T et al. NTSC SrII optical lattice clock with uncertainty of 2 × 10^−18. Metrologia, 2024. DOI: 10.1088/1681-7575/addc77

[2]Lu, Xiao-Tong, et al. “NTSC SrII optical lattice clock with uncertainty of 2×10-18.”Metrologia62.3 (2025): 035007.