为什么原子钟的诞生，将重塑“时间”的定义？| 十万个量子为什么（二十）

你听说过原子钟吗？从最早的计时器械日晷，到摆钟、机械钟、石英表，时钟的精度越来越精确。日常生活中对于时间的定义已经可以精确到“秒”。1967年，第13届国际计量大会将1秒定义为：无干扰情况下133Cs（铯）原子基态的两个超精细能级之间跃迁对应的辐射持续振荡 9192631770 个周期的时间。而如今，光钟的出现，不仅性能超越微波段的铯喷泉钟，更是引发了关于重新定义“秒”讨论。什么是原子钟？为什么原子钟的诞生，将重塑“时间”的定义？

什么是原子钟？

原子钟是产生稳定频率信号的设备，它通过电磁波-原子相互作用产生的鉴频信息，将本地振荡器（电子学或光学的）锁定到原子的跃迁频率上。基于频段的不同，原子钟可大致分为微波钟、光钟两类；在光钟里，根据跃迁的量子参考体系的不同，可分为离子光钟、中性原子光钟，以及近两年实验上取得突破进展的核光钟。

▲原子钟工作原理

我们已经有平时使用的钟表，为什么还要研发原子钟呢？普通钟表（如石英表），主要依赖石英晶体振动，但温度变化会影响其频率，每天误差约1秒，而原子钟使用的是原子振动频率，原子振动频率由自然法则固定，不受环境影响，精度可达3000万年误差不到1秒。

▲时钟的历史演变图例

原子钟家庭大揭秘

微波钟

微波钟利用原子内部的稳定钟跃迁（“能级跃迁”，即振荡）作为计时基准。这种振荡位于微波波段（类似WiFi信号的波段），因此称为“微波钟”。

我们平时使用的微波钟有三种，分别是铯喷泉钟，氢钟和铷钟。在工作时，铯原子被激光冷冻成接近绝对零度的“原子球”，通过垂直激光抛射形成“喷泉运动”（上升后下落）。下落时原子穿过微波腔，通过共振信号锁定其固有振动频率，锁定后1亿年才误差1秒，是各国时间实验室的基准设备。氢钟作为短期精度之王，信号极其清晰，短期稳定性最优，1秒内的精度达千万亿分之一，十分适合卫星的实时定位。而铷钟因其小巧实用被各个日常生活的厂家喜爱，其原理是用红光照射铷原子使其整齐排列，再通过微波调整原子状态。通过检测透射光的变化锁定共振频率。

微波钟已广泛应用于我们的日常生活之中。例如，我们所使用的GPS或北斗导航卫星，便搭载了高性能的氢钟或铯钟。卫星向手机发送信号，通过传输时间与光速的乘积计算距离——若钟差达到一纳秒（十亿分之一秒），就会引起30厘米的定位偏差。而微波钟的使用，可将误差控制在1米以内。在日常生活中，我们使用的5G信号需经由5G基站传输。所有这些基站都必须将时间同步精度维持在百万分之一秒以内，否则会导致数据冲突。由于体积小、成本低，铷钟被集成在全国数百万个基站中，发挥着关键作用。无论是引力波探测还是火星着陆任务，高精度的时间同步都是实现精准操作的前提。时间若存在千分之一秒的误差，就可能导致卫星轨道偏差达十万公里。同样，在金融领域的高频股票交易中，下单速度相差千分之一秒，可能造成百万元的损失。因此，交易所也采用微波钟技术，以实现全球服务器间的时间同步。

▲空间高精度时频系统示意图

离子光钟

离子光钟的主要代表包括钙、铝、镥、镱、锶、铟等，这些离子基于其原子能级结构、对外场干扰的敏感度、激光操控可行性等物理特性而被选择。位于武汉的中科院精密测量院的40Ca+光钟准确度已经达到4.6E-19（689亿年误差1秒，远超宇宙年龄），处于世界领先水平。

铝离子光钟在离子光钟的领域也大放异彩。NIST最新的27Al+准确度达到5.5E-19。其相对其他离子黑体辐射频移弱，受温度波动影响较小，但在技术上也有其难点，需要借助其他离子完成实验。除了NIST的27Al+离子光钟，华中科技大学的27Al+离子光钟也达到了1.6E-18的准确度。

中性原子光钟

中性原子光钟的代表元素包括锶、镱、汞。与离子钟仅探询单个离子不同，中性原子光晶格钟通过同时探询大量原子，降低量子投影噪声，提升了光钟的稳定度。量子投影噪声的含义可以理解为：测量单个粒子的量子态，其测量结果要么是基态要么是激发态，当粒子数少时这种离散结果需要大量平均才能得出激发率。在中性原子光钟领域，光晶格是实现同时探询大量原子的关键技术，它利用两束反向传播的激光干涉形成周期性驻波势阱。因此原子被晶格光牢牢束缚住，这使得高精度光谱操纵成为可能。同时被束缚的大量中性原子抑制了量子投影噪声：激发态原子数占比直接稳定地给出激发率，避免了探测单个微观粒子的二值化结果。

目前，国际上性能最优越的光钟准确度已经达到8E-19水平。国内中国科学技术大学、中国计量研究院和中科院国家授时中心都各自建立了世界领先水平的锶光钟，华东师范大学也建立了领先的镱光钟。其中，中国科大潘建伟研究团队成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5E-18（相当于数十亿年的误差不超过一秒）锶原子光晶格钟，成为当前国内综合指标最好的光钟系统（）。

核光钟

原子跃迁依靠核外电子状态的改变，而核跃迁依靠原子核状态的改变，其对核外电子结构不敏感，被期望具有较好的环境抵抗能量，有利于光钟性能的突破。但是在技术上，精细操控跃迁通常需要激光技术来实现，而受限于光学材料的性能（激光增益介质、光学玻璃）X射线甚至更高频的波段内并无激光技术可用。因此低能量的核激发态，例如钍的229mTh态就成为了关注的目标，因为真空紫外正处于激光技术的极限。

自1976年核物理学家提出229Th原子核存在一个极低能量的激发态（229mTh态）以来，大量研究团队一直试图在实验上寻找该跃迁，直至近两年，国际上多个团队（德国PTB，美国UCLA，JILA）明确地定位该跃迁；尤其是2024年叶军教授领导的JILA团队针对掺钍氟化钙样品，使用真空紫外光频梳的直接激光激发方案，将此跃迁的频率确定。此外，基于离子阱技术（例如激光冷却229Th3+离子）的核钟也具有前景。

▲研究人员使用频率梳激光装置探测嵌入晶体中的钍-229原子核。图片来源：JILA

结语

从地球时钟到宇宙时钟，从精准计时到探索宇宙，现有时钟在不断超越秒的定义的同时，也在全球导航系统、也是验证相对论、探测引力波、寻找暗物质等基础科学问题上发挥着重要作用。

对于我国科学家来说，在空间进行原子钟研究的部署也已经展开。让我们一起期待，未来有一颗像“墨子号”那样的实验卫星，第一次搭载中国人自己研制的高性能光钟，去探索有关宇宙时间和空间的秘密。

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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