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世界最准的钟问世:19位小数分毫不差,连5毫米高度差都能测出来

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如果把一座钟从桌子这头挪到那头——只差几厘米——它的走速会改变吗?

物理学的答案是:会。因为重力会让时间变慢,而地球上任何两点,重力都略有不同。

现在,科学家造出了一台能看见这种变化的钟——它的精准程度,把整个时间测量领域的天花板又顶高了一层。



研究速览

机构:新加坡国立大学量子技术中心(CQT)。

成果:基于稀有元素镥(lutetium)的原子钟,不确定度仅1×10的负19次方(精确到19位小数),刷新全球光学原子钟精度纪录。

论文:2026年9月23日发表于《自然》(Nature),标题为Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit。

团队组长默里·巴雷特(Murray Barrett):“我有信心,这是目前世界上最准的钟。”

原子钟是怎么走时的?

原子钟的原理:让原子的电子在固定频率下跳变能量级,再用激光锁定这个频率——激光的振荡就像钟摆一样,一下一下计量时间。

CQT这台钟,用的是单个镥-176离子(¹⁷⁶Lu⁺),匹配波长848纳米的激光。

为什么选镥这个冷门元素?

温度变化和磁场,都会让原子钟的计时频率发生漂移——这是所有原子钟的天敌。

但镥的时钟跃迁几乎不受两者影响。巴雷特打了个比方:这台钟就算从地球上最热的死亡谷,搬到最冷的南极高原,照样稳定。

团队研究镥超过十年,还发明了一套叫超精细平均的方法来定义时钟跃迁。目前全世界,他们是唯一用镥做计时研究的团队。



核心突破:两块钟,200小时,几乎完全同步

单说准还不够,得证明可复现。

团队造了两台一模一样的镥钟,用关联光谱技术连续对比了200小时——结果:两块钟的偏差只有5.7×10的负19次方,这是人类历史上最精确的一次时钟对比。

联合第一作者凯尔·阿诺德(Kyle Arnold)引了一句老话:一个戴表的人知道现在几点,两个戴表的人反而永远不确定。要证明标准可靠,唯一办法就是造两台钟来对表。

最妙的部分:毫米级高度差,它都能测

爱因斯坦的广义相对论说:重力越强,时间流逝越慢。所以放在不同高度的钟,走速会有微小差异。

普通钟完全感知不到这种差异。但10的负19次方精度的光钟可以——CQT团队的两台钟,甚至能分辨同一张桌子上5毫米的高度差。

为了让这个差异不影响对比精度,他们还把两个镥离子的相对高度测到了1毫米以内。

这也带来一个幸福的烦恼:现在想跟世界其他顶级钟对表,反而对不上了——因为地球不同地点的重力差异,还没有测到同样精度。

用了60年的秒,可能要重新定义

自1960年代以来,一秒一直由铯原子定义,GPS、通信、交通网络的同步全靠它。

光学钟用高得多的频率计时,同一时间间隔内能数更多次振荡,因此更准。此前的纪录保持者是镱、锶、铝——如今都被镥钟超越。

国际时间标准机构正在评估:最快2030年或之后,用光学钟重新定义秒。

下一步:把这台钟搬出实验室

博士生迈克尔·李(Michael Lee)透露,团队下一步要把实验室级的钟小型化,做成可搬运系统。离开实验室,才能做更多对比、探索更多应用。

更准的钟能干什么?监测地球各处的重力变化、探索基础物理的未解之谜——时间,可能是人类最值得较真的东西。

参考来源:Arnold KJ, et al. Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit. Nature. 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11072-8

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