設(shè)置星標(biāo) 關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

作為世界上最精確的計(jì)時(shí)器，光學(xué)原子鐘的復(fù)雜程度也可謂登峰造極。從超穩(wěn)定激光系統(tǒng)到原子囚禁裝置，再到真空系統(tǒng)和頻率測(cè)量體系——若有人將一臺(tái)光學(xué)原子鐘裝入拖車，任其飛馳于高速公路上，那無疑是相當(dāng)抽象的表演，要知道，任何劇烈顛簸都可能擾亂它精準(zhǔn)的滴答。

但德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)的科學(xué)家表示，這次兇險(xiǎn)的運(yùn)輸勢(shì)在必行！從研究院所在的布倫瑞克出發(fā)，它將跋山涉水，與其他全球頂尖的光學(xué)鐘相遇和比對(duì)，向便攜和實(shí)用的目標(biāo)邁進(jìn)，也向全新定義的“秒”迫近，而新定義的秒將深刻影響從速度到質(zhì)量的幾乎所有科學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)，重構(gòu)人類對(duì)自然界的認(rèn)知體系。

上圖所示為PTB團(tuán)隊(duì)研制的一臺(tái)可攜運(yùn)的光學(xué)原子鐘的激光系統(tǒng)

2022年，全球科學(xué)家達(dá)成共識(shí)：應(yīng)當(dāng)基于最尖端的光學(xué)原子鐘技術(shù)重新定義秒。這一決定要求學(xué)界把來自全球不同地點(diǎn)的多臺(tái)頂級(jí)光學(xué)鐘匯聚一地、相互比對(duì)。

這種“聚鐘較準(zhǔn)”的追求早有傳統(tǒng)，也是人類追求精確計(jì)時(shí)所遵循的范式。較準(zhǔn)之后，可用最精準(zhǔn)的時(shí)鐘來校準(zhǔn)不如它精準(zhǔn)的其他時(shí)鐘。

在1950年代前，最準(zhǔn)時(shí)鐘是由天文學(xué)家根據(jù)太陽方位校準(zhǔn)得到的，其中的準(zhǔn)中之準(zhǔn)則是倫敦格林尼治皇家天文臺(tái)的時(shí)鐘。

但并非所有人都能攜鐘表赴天文臺(tái)校時(shí)。于是“格林尼治時(shí)間女士”(Greenwich Time Lady)露絲·貝爾維爾(Ruth Belville)開始幫助大家做時(shí)間的朋友：貝爾維爾女士每天都會(huì)帶著自己的秒表前往皇家天文臺(tái)取得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，然后走遍倫敦，讓數(shù)百名客戶的鐘表與她的同步，風(fēng)雨無阻。

格林尼治時(shí)間女士一直是倫敦計(jì)時(shí)體系中的核心人物，直到1940年退休

宇宙存在多久，光學(xué)原子鐘準(zhǔn)了多久

自貝爾維爾退休至今已過去85載，時(shí)間同步過程在這段歲月里既越發(fā)簡(jiǎn)便又趨于復(fù)雜。一方面，光纖與衛(wèi)星能以可滿足幾乎任何用途的精度傳遞時(shí)間。另一方面，當(dāng)前關(guān)于秒的官方定義已不再依賴地球公轉(zhuǎn)，而基于銫原子鐘內(nèi)電子的量子振動(dòng)——這些振動(dòng)以固定頻率發(fā)生，通過測(cè)量頻率并簡(jiǎn)單計(jì)算，就能得出一秒的長(zhǎng)度。

用美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校學(xué)者亞歷山大·埃普利(Alexander Aeppli)的話說，“頻率是人類測(cè)量得最準(zhǔn)的東西”，因此，這種計(jì)時(shí)方式無疑比過往所有方法都更棒。

但銫原子鐘并非當(dāng)下最強(qiáng)計(jì)時(shí)技術(shù)，光學(xué)原子鐘才是真正王者。雖然二者都基于電子在量子態(tài)之間躍遷的原理，但光學(xué)鐘所用原子的躍遷頻率更高，其精度達(dá)到了銫鐘的數(shù)百倍。

當(dāng)年貝爾維爾的鐘表精度在小數(shù)點(diǎn)后一位，即0.1秒左右；相比之下，現(xiàn)階段最頂尖的光學(xué)鐘將精度推到了小數(shù)點(diǎn)后15或16位。換言之，它在經(jīng)歷四個(gè)宇宙年齡那么長(zhǎng)的時(shí)光后，累積的誤差也不超過1分鐘。

法國巴黎天文臺(tái)的研究員杰羅姆·洛德維克(Jér?me Lodewyck)坦言：“我從事原子鐘研究已有20多年。在2015年時(shí)趨勢(shì)很清楚，光學(xué)鐘的精度要超越用于定義秒的銫鐘?！必?fù)責(zé)通過協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)統(tǒng)管全球計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的國際計(jì)量局認(rèn)同此觀點(diǎn)，并于2022年提出一項(xiàng)決議——正式采用光學(xué)鐘重新定義秒。

精度之王的時(shí)間旅行

那么，既然光學(xué)原子鐘才是最準(zhǔn)，為何全球計(jì)時(shí)體系仍以次準(zhǔn)的銫原子鐘設(shè)定基準(zhǔn)？原因在于光學(xué)鐘建造與操作的難度，以及前文提到的“聚鐘較準(zhǔn)”難題。目前全球光學(xué)鐘數(shù)量不足百臺(tái)，在正式啟用它們來重新定義秒之前，研究人員必須確保每臺(tái)機(jī)器都處于最佳狀態(tài)。

科學(xué)家早有預(yù)見，清楚知道“能檢驗(yàn)一臺(tái)最準(zhǔn)時(shí)鐘的東西，只能是另一臺(tái)最準(zhǔn)時(shí)鐘”。

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的克里斯蒂安·利斯達(dá)特(Christian Lisdat)早在十多年前就與團(tuán)隊(duì)開始籌劃：送光學(xué)原子鐘上路！2018年，他們匯報(bào)了工作進(jìn)展：超精儀器被裝入特制拖車，前往位于倫敦特丁頓的英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)，與另一臺(tái)世界頂尖光學(xué)鐘碰面。

如上圖所示的NPL光學(xué)鐘，相比過去用于同步城市時(shí)間的鐘表，那完全是兩個(gè)層次上的計(jì)時(shí)儀器

利斯達(dá)特等人明白，要想有效比對(duì)全球各地的光學(xué)原子鐘，同時(shí)避免引入影響精度的誤差，只能這樣做，只能走這條路。研究人員曾嘗試衛(wèi)星傳輸、光纖通信等多種鐘間信號(hào)傳遞方案，但所有方法都會(huì)帶來不確定性。澳大利亞國家計(jì)量研究所的邁克爾·沃特斯(Michael Wouters)感慨道：“我們仿佛回到了必須攜鐘比對(duì)的過去。是時(shí)候出現(xiàn)一位當(dāng)代‘格林尼治時(shí)間女士’了?！?/p>

但攜運(yùn)上路的工作可絕非易事。光學(xué)原子鐘包含大量真空系統(tǒng)、激光器和穩(wěn)頻設(shè)備，用利斯達(dá)特的話說，“稍受劇烈震動(dòng)就可能損毀”。

時(shí)鐘內(nèi)部的激光精準(zhǔn)排布，每個(gè)鍶原子如同雞蛋盒里的雞蛋般穩(wěn)定地被束縛于光晶格中。而運(yùn)輸意味著，要把易碎的量子“雞蛋”連帶著縹緲脆弱的光晶格雞蛋盒一起裝進(jìn)拖車，然后祈禱盒子始終不褶皺、不開裂、不凹陷，雞蛋一路安然無恙。PTB弗里茨·里勒(Fritz Riehle)坦言：“當(dāng)年我做類似測(cè)量時(shí)，緊張得胃都揪成一團(tuán)。”

2023年，PTB團(tuán)隊(duì)將重達(dá)800公斤的原子鐘裝入恒溫拖車，聘請(qǐng)專業(yè)司機(jī)護(hù)送它穿過歐洲鄉(xiāng)野，駛向英國國家物理實(shí)驗(yàn)室。

奔赴倫敦的并非只有德國鐘。同期，日本理化學(xué)研究所(RIKEN)的團(tuán)隊(duì)也在為他們的原子鐘籌備一場(chǎng)更遙遠(yuǎn)的空運(yùn)。研究人員耗費(fèi)數(shù)年完成了設(shè)備的小型化，確保激光系統(tǒng)保持穩(wěn)定，并將整套裝置精心封裝防護(hù)，使其無懼長(zhǎng)途飛行中的任何干擾。NPL學(xué)者伊恩·希爾(Ian Hill)回憶道：“它被裝在大木箱里，用叉車裝卸，再由卡車從機(jī)場(chǎng)運(yùn)抵目的地。雖然一路小心謹(jǐn)慎，但也難免有顛簸?！?/p>

兩臺(tái)訪客鐘就位后，便連接到NPL主場(chǎng)的光學(xué)原子鐘。后者作為更標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，其眾多組件整齊排列于實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面。它固定且穩(wěn)定的特性使它成為那些可能更易變的旅行鐘的理想?yún)⒄铡?/p>

在NPL，每臺(tái)鐘都與激光器相連，它們的光頻被鎖定于固定鐘的主激光器頻率，這些耦合的激光器可測(cè)量各鐘性能。在3周時(shí)間內(nèi)，時(shí)鐘們安靜運(yùn)轉(zhuǎn)，其頻率由激光監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，研究人員雖未立刻宣布成功(收集到的大量數(shù)據(jù)有待分析)，但大家士氣高漲。眾人前往當(dāng)?shù)乜о^慶祝，并開始談?wù)撓乱淮螌?shí)驗(yàn)。

對(duì)部分成員而言，新挑戰(zhàn)近在眼前：特丁頓“會(huì)面”后，來自德國和日本的時(shí)鐘再度啟程，穿越英吉利海峽返回布倫瑞克，與另一臺(tái)固定于實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)原子鐘展開比對(duì)。

再次歷經(jīng)三周比對(duì)后，研究人員終于能分析這些來之不易的數(shù)據(jù)。結(jié)果總體令人振奮：德國站與英國站的測(cè)量數(shù)據(jù)高度吻合！這是團(tuán)隊(duì)最關(guān)心的部分，表明光學(xué)原子鐘經(jīng)過長(zhǎng)途跋涉后，仍能保持與出發(fā)時(shí)完全一致的走時(shí)精度！這是它們能夠重新定義秒的最重要的基礎(chǔ)。

此外，這也標(biāo)志著光學(xué)原子鐘向可攜運(yùn)化發(fā)展的里程碑，展現(xiàn)了它們作為現(xiàn)實(shí)世界實(shí)用設(shè)備的潛力。來自德國的旅行鐘比對(duì)坐鎮(zhèn)英國的固定鐘，結(jié)果高度一致；日本旅行鐘與德國固定鐘的統(tǒng)計(jì)差異僅百萬兆分之一——這個(gè)一致性水平創(chuàng)下了同類獨(dú)立原子鐘比對(duì)的最高紀(jì)錄。

當(dāng)然，并非一切都完美妥帖。如希爾所言，時(shí)鐘比對(duì)過程中總會(huì)出現(xiàn)些意外情況，“它們有時(shí)不一致，有時(shí)又按預(yù)期運(yùn)行”。雖然部分時(shí)鐘對(duì)表現(xiàn)出極佳的一致性，但當(dāng)整體比對(duì)四臺(tái)原子鐘時(shí)，出現(xiàn)了某些奇怪的不一致。

一寸高一寸快，原子鐘丈量引力場(chǎng)

這些差異由何而來呢？是由原子溫度波動(dòng)所致，還是原子內(nèi)電子與激光束發(fā)生了意想不到的相互作用？研究人員尚無結(jié)論。洛德維克說道：“找出差異并了解其根源是真正的關(guān)鍵所在。”

光學(xué)原子鐘距離對(duì)秒的重新定義仍隔著些許問題，但它們已經(jīng)有能力解決一大難題，那就是測(cè)量可能因海平面升降或地震活動(dòng)引發(fā)的地球重力場(chǎng)的微小變化。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，靠近地面的時(shí)鐘因引力作用會(huì)比高處的鐘走得略慢。利斯達(dá)特解釋稱：“當(dāng)你身處地球、黑洞或引力場(chǎng)中的其他地方，你會(huì)經(jīng)歷不同速度的時(shí)間流逝；通過比較不同高度的時(shí)鐘，即可發(fā)覺此現(xiàn)象?！钡诵?yīng)非常微弱，以至于無法用普通時(shí)鐘檢測(cè)。例如，A鐘比B鐘高1厘米，A走得就比B快10?19。

幸運(yùn)的是，光學(xué)原子鐘的精度足以捕捉上述差異。若帶著它們?nèi)ネ鞯?，領(lǐng)略各種地形，或有望繪制前所未見的地表重力場(chǎng)細(xì)節(jié)圖。研究人員曾嘗試?yán)媒?jīng)過長(zhǎng)途旅行的光學(xué)原子鐘，針對(duì)他們?cè)L問的兩家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量高度差，并得到了與當(dāng)前最專業(yè)測(cè)量方法相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果(精度小于4厘米)。

埃普利說道：“有人提議在火山周圍部署一套光學(xué)原子鐘網(wǎng)絡(luò)，用以預(yù)測(cè)火山噴發(fā)時(shí)間。或是將其放置到俯沖構(gòu)造板塊附近，從而判斷下一次地震發(fā)生的時(shí)間。”這些原子鐘能夠探測(cè)地表垂直位置的細(xì)微變化——它們可以作為地震或火山噴發(fā)的前兆。這樣的網(wǎng)絡(luò)甚至能通過細(xì)致觀測(cè)重力對(duì)時(shí)鐘走時(shí)的影響來檢驗(yàn)廣義相對(duì)論本身。

科學(xué)界計(jì)劃于2030年前實(shí)現(xiàn)對(duì)秒的重新定義，而新定義無疑會(huì)引發(fā)全領(lǐng)域的反響，因?yàn)槠湓诟黝悳y(cè)量中都至關(guān)重要，無論是測(cè)算光亮度、天體溫度，還是電子設(shè)備電流量。若將這些測(cè)量視作人類描繪世界的方式，那么在這幅畫所能放大的極限，往往取決于我們對(duì)秒的定義有多精確。越精準(zhǔn)地定義秒，就能越清晰地洞察世界圖景。

日本已在這方面先行一步：自2021年6月起，日本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的計(jì)算開始基于銫原子鐘與光學(xué)原子鐘，當(dāng)然，其精度要求遠(yuǎn)低于全球現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，畢竟重新定義一個(gè)時(shí)區(qū)比重置全球時(shí)區(qū)輕松很多。

希爾說道：“這項(xiàng)重新定義秒的探索如史詩般壯麗。我們已取得一些成果，而要達(dá)到重新定義的標(biāo)準(zhǔn)仍需大量工作。我們要繼續(xù)前進(jìn)?！盤TB的利斯達(dá)特稱他們正準(zhǔn)備將原子鐘運(yùn)往意大利以開展新一輪比對(duì)。為確證光學(xué)原子鐘足以擔(dān)當(dāng)全球計(jì)時(shí)基石，科學(xué)家要開啟更多這樣的旅程。

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