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

數(shù)千年來，人們發(fā)明了無數(shù)的計時裝置，但它們有一個共同點，那就是都依賴于有規(guī)則振蕩周期的自然現(xiàn)象。計時就是簡單地計數(shù)這些振蕩來標(biāo)記時間的流逝。

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

然而，除非陽光燦爛，日晷是無用的。于是人們陸續(xù)發(fā)明了像水鐘、蠟燭鐘和沙漏這樣的機械計時裝置。17 世紀(jì)發(fā)明了擺鐘，它比以前的任何計時裝置都要精確得多。其振蕩周期(在最低階近似下)由重力加速度和擺長決定。由于這個周期比地球每天自轉(zhuǎn)的時間短得多，所以時間可以細(xì)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(zhuǎn)仍然是“主鐘”，其他時鐘需根據(jù)這個主鐘定期校準(zhǔn)和調(diào)整。

1 從晶體到原子

隨著技術(shù)的進步，對高分辨率計時的需求也在增加。擺鐘逐漸被石英鐘取代，第一個石英鐘是1927 年由沃倫·瑪麗森(Warren Marrison)和約瑟夫·霍頓(Joseph Horton)在美國貝爾電話實驗室研制的。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特定頻率共振。

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

然而，秒的這種定義存在一些問題。隨著我們測量這一時間單位的能力提高，越來越清楚的事實是，地球的自轉(zhuǎn)周期并非恒定。這個周期不僅由于潮汐摩擦作用逐漸變慢，而且隨著季節(jié)的變化而變化，更糟的是，它還以不可預(yù)測的方式波動。

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

圖1 埃森和帕里與他們研制的銫原子鐘

時間的標(biāo)準(zhǔn)化

太陽時并非處處相同。以英國為例，伯明翰落后倫敦8 分鐘，利物浦落后12 分鐘。當(dāng)主要人口中心之間的通訊和旅行時間較慢時這并不重要。但隨著19 世紀(jì)鐵路的建設(shè)，情況發(fā)生了巨大的變化。由于每個車站的地方時間不同造成了混亂，而且隨著路網(wǎng)的擴大，事故和未遂事故越來越多。一個標(biāo)準(zhǔn)時間就成為必要了。

1840 年由英國西部大鐵路帶頭，“鐵路時間”在隨后的幾年中逐漸被其他鐵路公司所采用。列車時刻表標(biāo)準(zhǔn)化到格林尼治時間(GMT)，到1855 年，時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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時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會議上，格林尼治時間被采納作為全球時區(qū)的參考標(biāo)準(zhǔn)，而秒被正式定義為平太陽日的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(xì)調(diào)整到與銫原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級之間的能量差相對應(yīng)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保持微波源調(diào)諧到這個高準(zhǔn)確度的特定頻率。時間顯示是通過對微波源的振蕩進行電子學(xué)計數(shù)而產(chǎn)生的。

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

他們的設(shè)備并不是真正意義上的時鐘，因為它并不連續(xù)運行，只是用來每隔幾天校準(zhǔn)一臺外部石英鐘的頻率。盡管如此，通過研究共振頻率如何依賴于環(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的標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定得多的時間間隔參考。埃森后來寫道：“我們邀請了(NPL)主任來見證天文秒的死亡和原子時的誕生。”

但證明新標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)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(nèi)與舊定義保持一致。埃森和帕里因此著手相對于皇家格林尼治天文臺發(fā)布的天文時標(biāo)來測量他們的銫標(biāo)準(zhǔn)的頻率。

與此同時，天文學(xué)家轉(zhuǎn)而使用基于地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期的歷書時。他們的論據(jù)是，地球繞日公轉(zhuǎn)比其自轉(zhuǎn)更穩(wěn)定，但可惜對于大多數(shù)實際測量目的來說，公轉(zhuǎn)周期長得太不切實際了。然而，國際計量委員會跟隨他們的引導(dǎo)，在1956 年選擇歷書秒作為國際單位制中的時間基本單位。正如埃森所說：“就連科學(xué)機構(gòu)也會做出荒謬的決定?！?/span>

但不管荒謬與否，仍需要將銫的頻率與歷書秒聯(lián)系起來。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 年的國際計量大會上決定，將秒重新定義為“銫133 原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)輻射的9192631770個周期”。

2 新一代技術(shù)

結(jié)構(gòu)更緊湊、成本更低(盡管準(zhǔn)確度低些)的銫原子鐘被開發(fā)出來，應(yīng)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都離不開精確的計時。移動電話、金融交易、互聯(lián)網(wǎng)、電力和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴于時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)。

不過，盡管銫原子的躍遷已被證明是秒定義的持久基礎(chǔ)，銫原子鐘現(xiàn)在可能正達到其準(zhǔn)確度的極限，進一步改進可能會開辟新的應(yīng)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(yīng)運而生。這些新型時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(wěn)定度與其工作頻率成正比，與電子躍遷譜線的線寬成反比。但在實際應(yīng)用中，穩(wěn)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(wěn)定激光器被鎖定于電磁波譜光頻區(qū)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：一類是基于單個激光冷卻的囚禁離子；另一類是基于囚禁在光學(xué)晶格中的激光冷卻原子團。前者是射頻電磁阱中的單個激光冷卻離子，接近于無擾動環(huán)境中的一個靜止吸收粒子的光譜學(xué)理想情形。囚禁的單個離子被冷卻后，它可以被限制在一個尺度小于鐘激光波長的空間區(qū)域內(nèi)，這意味著吸收特征的多普勒展寬被消除了。

通過控制離子的剩余運動，確保它嚴(yán)格地限制于囚禁阱中心，也可以大大抑制其他系統(tǒng)頻移。因此，這類時鐘具有非常高準(zhǔn)確度的潛力。缺點是單個離子產(chǎn)生的吸收信號信噪比不高，這限制了時鐘能夠獲得的穩(wěn)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(wěn)定度隨著原子數(shù)量的平方根而提高。研究人員現(xiàn)在可以將數(shù)千個激光冷卻的原子囚禁在光學(xué)晶格阱中——最常見的是由相交激光束形成的一維勢阱陣列。

人們可能認(rèn)為，用來囚禁原子的光束會改變鐘躍遷的頻率。然而，這是可以避免的，只需將用于創(chuàng)建晶格的激光調(diào)諧到一個“魔術(shù)”波長，在那里鐘躍遷上下能級的頻移量完全相同——一個解決方案在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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所安德魯·勒德洛(Andrew Ludlow)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組保持著光鐘穩(wěn)定度的記錄。他們的鐿光晶格鐘最近結(jié)果表明在數(shù)千秒的平均時間內(nèi)穩(wěn)定度達1×10^-18。然而，囚禁離子光鐘也表現(xiàn)出遠優(yōu)于銫原子鐘的穩(wěn)定度，兩種類型光鐘的系統(tǒng)不確定度評估現(xiàn)在都達到了10^-18級。這遠遠超過了銫頻率基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，并提出了一個明顯的問題：是時候再次重新定義秒了嗎？

3 計時技術(shù)的未來

當(dāng)然，為避免定義上的任何不連續(xù)性，需要用銫鐘頻率來準(zhǔn)確地測定所選光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的頻率。這個任務(wù)很容易用飛秒光學(xué)頻率梳來完成。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。重新定義的一個障礙是，目前還不清楚到底哪種光鐘最好。研究中的系統(tǒng)都各有優(yōu)缺點——一些可提供更高的穩(wěn)定度，而另一些更能避免環(huán)境擾動的影響。

另一個挑戰(zhàn)是對不同實驗室獨立研制的光鐘進行直接比對，通過實驗驗證它們評估的系統(tǒng)不確定度。在這方面，歐洲的研究人員有一個優(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(zhǔn)確度水平進行比對。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。

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

盡管所有這些挑戰(zhàn)假以時日均可克服，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標(biāo)作出貢獻。

事實上，光學(xué)原子鐘前所未有的精確度已經(jīng)讓基礎(chǔ)物理學(xué)受益。例如，通過比較數(shù)年中不同時鐘的頻率，為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)(α≈1/137)和質(zhì)子—電子質(zhì)量比現(xiàn)在的時間變化設(shè)置了更嚴(yán)格的上限。

光鐘也可能開辟出全新的應(yīng)用領(lǐng)域。通過比較可移動光鐘與固定參考時鐘的頻率，我們將能夠以高靈敏度、高時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(dǎo)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(jiān)測海平面的實時變化，追蹤冰蓋質(zhì)量和整體海洋質(zhì)量變化的季節(jié)性和長期趨勢——這些數(shù)據(jù)為用于研究和預(yù)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(xì)地研究地球——秒的最初定義就來自它的自轉(zhuǎn)。

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