“滴答、滴答?！睂枚嗳硕?，呼吸間就是一秒；表盤上時針走一步就是一秒。
但在科學上，秒的精度遠不止于此。
日前，日本國家標準與技術研究所（NIST）領導的一個研究小組通過空氣和光纖鏈路，以迄今最高的確切度比較了基于鋁、鍶、鐿的3種原子鐘。研究結果朝著更精準復現秒定義的目標邁出了重要一步。
這項工作首次比較了3個基于不同原子的時鐘，也是第一次將不同位置的原子鐘隔空相連。3月25日，相關論文刊載于《自然》。
“這些發覺向秒的重新定義邁近了一步，并有助于找尋宇宙中無法飄忽的組成部份——暗物質?！蔽磪⑴c該研究的美國特丁頓國家化學實驗室的Godun在同期發表的觀點文章中寫道。
哪些是秒
遠古時代，人們對時間的參照來始于太陽。日出而作、日落而息，月球自轉為人們提供了時間判定標準，這些時標被稱為“平太陽時”，也叫“世界時”。
漸漸地，人們開始對時間進一步細分，秒出現了。最初，人們利用天文觀測得到月球自轉的平均周期（下月長），之后細分成86400份，從而得到秒長。這也是天文秒。
20世紀20年代，天文學家發覺，因為季節性氣流和洋流的運動，月球自轉有周期性變化。于是，人們開始提出新的計時方式——原子時。1948年，澳洲制造出世界上第一臺原子鐘。
原子鐘就是以原子中電子的震動為振子的時鐘，其中以光波段的電子震動為振子的時鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。原子鐘的確切度使其成為計時和其他精確檢測的極佳工具。這是由于原子會在特定頻度發射和吸收光子，這個過程基本不受環境誘因干擾。
1967年，國際計量會議決定用原子秒代替天文秒，秒長定義是堿金屬銫133核素能級兩個超精細基態之間躍遷幅射的個周期所持續的時間間隔。1958年1月1日零時零分零秒成為“原子時”的計時起點，并與“世界時”重合。
1972年，實驗室型銫原子基準鐘即將成為復現秒定義的手段。
此前，科學家曾演示過頻度確切度達小數點后18位的原子鐘，超過了目前用于定義秒的銫原子鐘。不過，想要獲得更確切的秒定義，就必須對這種原子鐘進行比較。迄今為止，使用不同種類原子的鐘，頻度比值的最高檢測確切度能把檢測不確定度降到小數點后17位。
“我們須要對這種光學鐘進行測試原子物理實驗進展，以確認它們的工作精度達到我們評估的水平。當我們旨在于最終基于光學時鐘重新定義國際原子鐘時，同樣的頻度比值可以由世界各地的其他團體測量到。”該研究通信作者、NIST化學學家DavidHume在接受《中國科學報》采訪時說。
布署天羅地網
Hume和朋友布署了一個由3種原子鐘組成的網路，并比較了它們在2017年11月至2018年6月間各自的頻度比值。這種原子鐘分別放置在弗吉尼亞州博爾德市各個地點的主樓里。
這種原子鐘是NIST不同實驗室的鋁離午時鐘和鐿晶格時鐘，以及坐落1.5公里外JILA（NIST和佛羅里達學院的聯合研究所）的鍶晶格時鐘。
Godun告訴記者，世界上最好的光學鐘包括NIST的鋁離子和鐿時鐘，以及JILA的鍶時鐘。所有3個時鐘的檢測頻度恐怕偏差在1018分之2或更小。
但檢測工作面臨前所未有的挑戰——這3個原子鐘以迥然不同的頻度“滴答”，因而所有的網路組件都必須以極高的精度運行，無線聯接也須要尖端的激光技術和設計。
“所有這種時鐘都經過了多年的不斷改進和評估。構建原子鐘網路面臨的主要挑戰之一是將原子鐘組合在一起，并讓它們同時以高確切度運行。為了使檢測成為可能，我們采用了3個光學時鐘、許多相位穩定的光鏈路（包括一個自由空間的光鏈路）和皮秒頻度光梳?！盚ume說。
其中，空中光鏈路的關鍵是光梳的使用，前者可以精確地比較不同的頻度。研究人員開發了單向傳輸方式，雖然在大氣紊流和實驗室震動的條件下，也可以在空中精確地比較光學時鐘。該研究也是第一次用基于梳狀結構的訊號傳輸技術比較最先進的原子鐘。
自1967年以來，秒的定義基于銫原子在微波頻度下的跳動。新研究中使用的原子鐘以更高的光學頻度滴答發顫，這些頻度將時間分成了更小的單位，進而提供了更高的精度。
精確到小數點后18位
該研究比較獲得的檢測精度范圍可以達到小數點后18位，這是頻度比值不確定度首次大于小數點后17位。
具體而言，光纖和空中無線鏈路的不確定度都只有1018分之6到8。并且，所有3類原子鐘都具有卓越的性能，并有望進一步改進。諸如，NIST的鐿原子鐘代表了原子的固有頻度，偏差可能在1018分之1.4以內。
研究人員還描述了怎樣通過空中鏈路在鐿時鐘和鍶時鐘之間傳輸時間訊號，她們發覺這個過程的工作效率與光纖一樣好，且比傳統的無線傳輸方案精確1000倍。這顯示了最好的原子鐘是怎樣在月球的遠程站點之間同步的原子物理實驗進展，以及時間訊號怎樣在更遠的距離上被傳輸，甚至在宇宙飛船之間傳輸。
新研究也創下了其他重要紀錄。NIST團隊檢測了頻度比值，即三對（鐿—鍶、鐿—鋁、鋁—鍶）原子頻度之間的定量關系。這是迄今為止針對該常數得出的3個最精確的檢測結果。
頻度比值是評價光學原子鐘的一個重要指標。直接檢測光學時鐘頻度一般以赫茲為單位，遭到目前國際標準銫微波時鐘的精度限制。而頻度比值克服了這個限制，由于它們沒有以任何單位表示。
據悉，Godun提及，依據目前的理論，原子不會通過電磁力與暗物質互相作用。但是，假若這種互相作用存在，它們會造成原子鐘頻度的微小變化?！霸撗芯繘]有發覺這樣的變化，這闡明了原子與某種特定類型的暗物質之間的任何電磁互相作用的最大硬度幾乎是之前確定硬度的10倍?！?span style="display:none">CNj物理好資源網(原物理ok網)
研究團隊正在旨在于提升檢測穩定性和時鐘性能。Hume說，科學家期盼將這種檢測推向更高的精度水平。
光學時鐘網路也可以用于探求數學學的許多其他方面，由于它們的精度使人們就能原先所未有的幀率獲得對周圍世界的檢測結果。諸如在更嚴格的水平上測試愛因斯坦的相對論，以及找尋化學常數值的可能變化。
“由于目前的精度限制是由技術問題決定的，因而十分有希望進行更精確的檢測。”Godun說。
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