2018 年11 月1 日，是我在特丁頓英國國家物理實(shí)驗室(NPL)工作整整20 年零6 天的日子。我知道這一點(diǎn)的原因很簡(jiǎn)單——我是1998 年10 月26 日加入NPL的，借助時(shí)鐘和日歷，我可以測量這段過(guò)去的時(shí)間。但是在時(shí)鐘出現之前人們怎么辦？他們是如何測量時(shí)間的呢？

數千年來(lái)，人們發(fā)明了無(wú)數的計時(shí)裝置，但它們有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是都依賴(lài)于有規則振蕩周期的自然現象。計時(shí)就是簡(jiǎn)單地計數這些振蕩來(lái)標記時(shí)間的流逝。

在歷史的大部分時(shí)間里，人們選擇的周期現象是太陽(yáng)和恒星在天空中的視運動(dòng)，這是由地球繞著(zhù)自己的軸旋轉引起的。已知最早的計時(shí)方法之一——可以追溯到幾千年前——把一根棍子豎在地上，并隨著(zhù)時(shí)間的推移跟蹤它移動(dòng)的影子。這種方法發(fā)展成為日晷，即日影鐘，它用沿著(zhù)日影路徑的刻度將一天劃分為若干時(shí)段。

然而，除非陽(yáng)光燦爛，日晷是無(wú)用的。于是人們陸續發(fā)明了像水鐘、蠟燭鐘和沙漏這樣的機械計時(shí)裝置。17 世紀發(fā)明了擺鐘，它比以前的任何計時(shí)裝置都要精確得多。其振蕩周期(在最低階近似下)由重力加速度和擺長(cháng)決定。由于這個(gè)周期比地球每天自轉的時(shí)間短得多，所以時(shí)間可以細分成更小的間隔，這樣就可以測量秒，甚至是一秒的幾分之一。

盡管如此，地球的自轉仍然是“主鐘”，其他時(shí)鐘需根據這個(gè)主鐘定期校準和調整。

1 從晶體到原子

隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，對高分辨率計時(shí)的需求也在增加。擺鐘逐漸被石英鐘取代，第一個(gè)石英鐘是1927 年由沃倫·瑪麗森(Warren Marrison)和約瑟夫·霍頓(Joseph Horton)在美國貝爾電話(huà)實(shí)驗室研制的。在這些裝置中，電流使石英晶體以遠高于擺鐘振蕩頻率的某個(gè)特定頻率共振。

與老式計時(shí)裝置相比，這種時(shí)鐘的頻率對環(huán)境擾動(dòng)的敏感度較低，因此更為準確。即便如此，石英鐘依賴(lài)于機械振動(dòng)，其頻率取決于晶體的大小、形狀和晶體溫度。沒(méi)有兩塊晶體是完全相同的，所以它們必須用另一個(gè)參考進(jìn)行校準——這就是地球的自轉周期，秒被定義為平太陽(yáng)日的1/86400。

然而，秒的這種定義存在一些問(wèn)題。隨著(zhù)我們測量這一時(shí)間單位的能力提高，越來(lái)越清楚的事實(shí)是，地球的自轉周期并非恒定。這個(gè)周期不僅由于潮汐摩擦作用逐漸變慢，而且隨著(zhù)季節的變化而變化，更糟的是，它還以不可預測的方式波動(dòng)。

1955 年，路易斯·埃森(Louis Essen)和杰克·帕里(Jack Parry)在NPL研制出第一個(gè)實(shí)用的銫原子頻標，從而啟動(dòng)了計時(shí)領(lǐng)域的革命(圖1)。

圖1 埃森和帕里與他們研制的銫原子鐘

時(shí)間的標準化

太陽(yáng)時(shí)并非處處相同。以英國為例，伯明翰落后倫敦8 分鐘，利物浦落后12 分鐘。當主要人口中心之間的通訊和旅行時(shí)間較慢時(shí)這并不重要。但隨著(zhù)19 世紀鐵路的建設，情況發(fā)生了巨大的變化。由于每個(gè)車(chē)站的地方時(shí)間不同造成了混亂，而且隨著(zhù)路網(wǎng)的擴大，事故和未遂事故越來(lái)越多。一個(gè)標準時(shí)間就成為必要了。

1840 年由英國西部大鐵路帶頭，“鐵路時(shí)間”在隨后的幾年中逐漸被其他鐵路公司所采用。列車(chē)時(shí)刻表標準化到格林尼治時(shí)間(GMT)，到1855 年，時(shí)間信號用電報從格林尼治傳遍英國鐵路網(wǎng)。然而，直到1880 年，GMT作為全英統一標準時(shí)間的作用才在立法中確立。四年后，在美國華盛頓舉行的國際子午線(xiàn)會(huì )議上，格林尼治時(shí)間被采納作為全球時(shí)區的參考標準，而秒被正式定義為平太陽(yáng)日的1/86400。

原子鐘是如何工作的

在銫原子鐘里，微波源的頻率一直被仔細調整到與銫原子基態(tài)兩個(gè)超精細能級之間的能量差相對應的諧振頻率(9192631770 Hz)上。原子吸收微波輻射，從吸收信號產(chǎn)生的反饋信號被用來(lái)保持微波源調諧到這個(gè)高準確度的特定頻率。時(shí)間顯示是通過(guò)對微波源的振蕩進(jìn)行電子學(xué)計數而產(chǎn)生的。

路易斯·埃森在NPL研制的最初的時(shí)鐘使用一束熱的銫原子，其準確度約為1×10^-10。如今，銫基準鐘使用一種被稱(chēng)為“原子噴泉”的架構，在這種架構中，激光冷卻的原子通過(guò)微波腔向上發(fā)射，然后在重力作用下回落。使用冷原子意味著(zhù)相互作用的時(shí)間可能比熱束鐘長(cháng)得多，從而提供更高的譜分辨率。經(jīng)過(guò)仔細評估環(huán)境擾動(dòng)引起的系統頻移，如今最好的銫噴泉鐘的準確度達到了1×10^-16，不過(guò)測量結果必須經(jīng)過(guò)幾天的平均時(shí)間才能達到這個(gè)水平。它們作為基準鐘為國際原子時(shí)(TAI)做貢獻。

他們的設備并不是真正意義上的時(shí)鐘，因為它并不連續運行，只是用來(lái)每隔幾天校準一臺外部石英鐘的頻率。盡管如此，通過(guò)研究共振頻率如何依賴(lài)于環(huán)境條件，埃森和帕里令人信服地證明，與任何基于天體運動(dòng)的標準相比，隔離良好的銫原子的分立能級之間的躍遷可以提供穩定得多的時(shí)間間隔參考。埃森后來(lái)寫(xiě)道：“我們邀請了(NPL)主任來(lái)見(jiàn)證天文秒的死亡和原子時(shí)的誕生?！?br />

但證明新標準的穩定度并不足以重新定義秒。新定義必須在測量不確定度的范圍內與舊定義保持一致。埃森和帕里因此著(zhù)手相對于皇家格林尼治天文臺發(fā)布的天文時(shí)標來(lái)測量他們的銫標準的頻率。

與此同時(shí)，天文學(xué)家轉而使用基于地球繞太陽(yáng)公轉周期的歷書(shū)時(shí)。他們的論據是，地球繞日公轉比其自轉更穩定，但可惜對于大多數實(shí)際測量目的來(lái)說(shuō)，公轉周期長(cháng)得太不切實(shí)際了。然而，國際計量委員會(huì )跟隨他們的引導，在1956 年選擇歷書(shū)秒作為國際單位制中的時(shí)間基本單位。正如埃森所說(shuō)：“就連科學(xué)機構也會(huì )做出荒謬的決定?！?/span>

但不管荒謬與否，仍需要將銫的頻率與歷書(shū)秒聯(lián)系起來(lái)。他與美國海軍天文臺的威廉·馬科維茨(William Markowitz)合作完成了這項工作。最后，在1967 年的國際計量大會(huì )上決定，將秒重新定義為“銫133 原子基態(tài)的兩個(gè)超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個(gè)周期”。

2 新一代技術(shù)

結構更緊湊、成本更低(盡管準確度低些)的銫原子鐘被開(kāi)發(fā)出來(lái)，應用也得到了蓬勃發(fā)展。也許我們并不總是意識得到，日常生活的許多重要方面其實(shí)都離不開(kāi)精確的計時(shí)。移動(dòng)電話(huà)、金融交易、互聯(lián)網(wǎng)、電力和全球衛星導航系統都依賴(lài)于時(shí)間和頻率標準。

不過(guò)，盡管銫原子的躍遷已被證明是秒定義的持久基礎，銫原子鐘現在可能正達到其準確度的極限，進(jìn)一步改進(jìn)可能會(huì )開(kāi)辟新的應用領(lǐng)域。在這種形勢下，基于光頻躍遷而不是微波躍遷的新一代原子鐘應運而生。這些新型時(shí)鐘由于工作頻率高得多而提高了精確度。在其他條件相同的情況下，原子鐘的穩定度與其工作頻率成正比，與電子躍遷譜線(xiàn)的線(xiàn)寬成反比。但在實(shí)際應用中，穩定度還取決于原子吸收特征的信噪比。

在光學(xué)原子鐘里，超穩定激光器被鎖定于電磁波譜光頻區域的窄譜電子躍遷，即所謂的“鐘躍遷”上。目前正在研究的光鐘可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于單個(gè)激光冷卻的囚禁離子；另一類(lèi)是基于囚禁在光學(xué)晶格中的激光冷卻原子團。前者是射頻電磁阱中的單個(gè)激光冷卻離子，接近于無(wú)擾動(dòng)環(huán)境中的一個(gè)靜止吸收粒子的光譜學(xué)理想情形。囚禁的單個(gè)離子被冷卻后，它可以被限制在一個(gè)尺度小于鐘激光波長(cháng)的空間區域內，這意味著(zhù)吸收特征的多普勒展寬被消除了。

通過(guò)控制離子的剩余運動(dòng)，確保它嚴格地限制于囚禁阱中心，也可以大大抑制其他系統頻移。因此，這類(lèi)時(shí)鐘具有非常高準確度的潛力。缺點(diǎn)是單個(gè)離子產(chǎn)生的吸收信號信噪比不高，這限制了時(shí)鐘能夠獲得的穩定度。

另一方面，中性原子可以被大量囚禁和冷卻，從而產(chǎn)生信噪比高得多的信號。例如，在其他條件相同的情況下，穩定度隨著(zhù)原子數量的平方根而提高。研究人員現在可以將數千個(gè)激光冷卻的原子囚禁在光學(xué)晶格阱中——最常見(jiàn)的是由相交激光束形成的一維勢阱陣列。

人們可能認為，用來(lái)囚禁原子的光束會(huì )改變鐘躍遷的頻率。然而，這是可以避免的，只需將用于創(chuàng )建晶格的激光調諧到一個(gè)“魔術(shù)”波長(cháng)，在那里鐘躍遷上下能級的頻移量完全相同——一個(gè)解決方案在2001 年由日本東京大學(xué)的香取秀俊(Hidetoshi Katori)首次提出。

目前，美國科羅拉多州博爾德國家標準與技術(shù)研究所安德魯·勒德洛(Andrew Ludlow)領(lǐng)導的研究小組保持著(zhù)光鐘穩定度的記錄。他們的鐿光晶格鐘最近結果表明在數千秒的平均時(shí)間內穩定度達1×10^-18。然而，囚禁離子光鐘也表現出遠優(yōu)于銫原子鐘的穩定度，兩種類(lèi)型光鐘的系統不確定度評估現在都達到了10^-18級。這遠遠超過(guò)了銫頻率基準的準確度，并提出了一個(gè)明顯的問(wèn)題：是時(shí)候再次重新定義秒了嗎？

3 計時(shí)技術(shù)的未來(lái)

當然，為避免定義上的任何不連續性，需要用銫鐘頻率來(lái)準確地測定所選光學(xué)標準的頻率。這個(gè)任務(wù)很容易用飛秒光學(xué)頻率梳來(lái)完成。這種具有均勻頻率間隔梳齒光譜的激光源，是連接光學(xué)頻率和微波頻率之間的橋梁。重新定義的一個(gè)障礙是，目前還不清楚到底哪種光鐘最好。研究中的系統都各有優(yōu)缺點(diǎn)——一些可提供更高的穩定度，而另一些更能避免環(huán)境擾動(dòng)的影響。

另一個(gè)挑戰是對不同實(shí)驗室獨立研制的光鐘進(jìn)行直接比對，通過(guò)實(shí)驗驗證它們評估的系統不確定度。在這方面，歐洲的研究人員有一個(gè)優(yōu)勢，因為已經(jīng)可以使用光纖連接，將英國、法國和德國的光鐘以必要的準確度水平進(jìn)行比對。遺憾的是，這些技術(shù)目前不能跨洲使用，必須找到連接美國和日本光鐘的替代方法。

遠程時(shí)鐘比對實(shí)驗還必須考慮到時(shí)鐘頻率的引力紅移。對于不確定度為1×10^-18的光鐘，這意味著(zhù)必須以相應約1 cm高差的準確度知道時(shí)鐘所在位置的重力勢，這是對目前技術(shù)水平的顯著(zhù)提高。重力勢的潮汐變化也必須加以考慮。

盡管所有這些挑戰假以時(shí)日均可克服，秒的重新定義要得到國際共識還有一段路要走。在那之前，全球時(shí)間頻率計量學(xué)界已同意，光學(xué)原子鐘原則上可以作為秒的次級定義對國際時(shí)標作出貢獻。

事實(shí)上，光學(xué)原子鐘前所未有的精確度已經(jīng)讓基礎物理學(xué)受益。例如，通過(guò)比較數年中不同時(shí)鐘的頻率，為精細結構常數(α≈1/137)和質(zhì)子—電子質(zhì)量比現在的時(shí)間變化設置了更嚴格的上限。

光鐘也可能開(kāi)辟出全新的應用領(lǐng)域。通過(guò)比較可移動(dòng)光鐘與固定參考時(shí)鐘的頻率，我們將能夠以高靈敏度、高時(shí)間和空間分辨率測量距離足夠遠位置之間的重力勢差。這種測量方法將導致對海拔高度更加一致的定義——目前不同國家用不同的潮汐儀進(jìn)行測量，而且地球上海平面并不處處相同。它們還可以讓我們監測海平面的實(shí)時(shí)變化，追蹤冰蓋質(zhì)量和整體海洋質(zhì)量變化的季節性和長(cháng)期趨勢——這些數據為用于研究和預測氣候變化影響的模型提供了關(guān)鍵輸入。也許具有諷刺意味的是，借助最新的“篡位者”——光鐘，我們將能夠更詳細地研究地球——秒的最初定義就來(lái)自它的自轉。

本文編譯自 Helen Margolis. Physics World，2018，(11)：27