2018 年11 月1 日，是我在特丁頓（dùn）英國（guó）國家物理實驗室(NPL)工（gōng）作整整20 年零6 天的日子（zǐ）。我知道這一點的原因很簡單——我是1998 年10 月26 日加入NPL的，借助時鍾和日曆，我可以測量這段過去的時間。但是在（zài）時（shí）鍾出現之前人們怎麽辦？他們是如何測量時間的（de）呢？

數千年來，人們發明了無數的計時裝（zhuāng）置，但它們有一個（gè）共同點，那就是都依賴於有規則振蕩周期的自然現象。計時就是簡（jiǎn）單（dān）地計（jì）數這些振蕩來標記時間的流逝。

在曆史的大部分時（shí）間（jiān）裏，人們選擇的周期現（xiàn）象是太陽（yáng）和恒星在天空中的視運動，這（zhè）是由地（dì）球（qiú）繞著自己的軸旋轉引起的。已知最（zuì）早的計時方法之一（yī）——可以追溯到幾千年前——把一根棍（gùn）子豎在地上，並（bìng）隨著時間的推移跟（gēn）蹤它（tā）移動的影子（zǐ）。這種方法發展成為日晷，即日影鍾，它用沿著日影（yǐng）路徑的刻度（dù）將一天（tiān）劃分為若幹時段。

然而（ér），除非陽光燦爛，日晷是無用的。於是人們陸續發明了像水鍾、蠟燭鍾和沙漏這樣的機械計時裝置。17 世紀發明了擺（bǎi）鍾，它比（bǐ）以（yǐ）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（jiā）速（sù）度和擺長決定。由於這個周（zhōu）期比地球每天自轉（zhuǎn）的時（shí）間短得多，所以時間可以細分成更小的間隔，這樣就可以測量（liàng）秒（miǎo），甚至是一秒的幾分之一。

盡管如（rú）此，地球的（de）自轉仍然是“主鍾”，其他時鍾需（xū）根據這個主鍾定期校準和調整。

1 從晶體到原子

隨著技術的進步，對高分（fèn）辨率計時的需求也在增加。擺（bǎi）鍾逐漸（jiàn）被石英鍾取代，第一個（gè）石英鍾是1927 年由（yóu）沃倫·瑪麗（lì）森(Warren Marrison)和約瑟夫·霍頓（dùn）(Joseph Horton)在（zài）美國（guó）貝爾（ěr）電話實驗室研製的。在這些裝置中，電流（liú）使石英晶體以遠高（gāo）於擺鍾振蕩頻率的某個特定頻率共振。

與老式計時裝置（zhì）相（xiàng）比（bǐ），這種時（shí）鍾的頻率對環境擾動的敏感度較低，因此更為準（zhǔn）確。即便如此（cǐ），石英鍾（zhōng）依賴於機械振動，其頻率取（qǔ）決於晶體（tǐ）的大小（xiǎo）、形狀和晶體溫（wēn）度。沒有兩塊（kuài）晶體是完全相同的，所（suǒ）以它們必須用另一個參考進行校準——這就是地球的自轉周期（qī），秒被定義為平太陽日（rì）的1/86400。

然而，秒的這種定義存在一些問題（tí）。隨著我們測量這一（yī）時間單位的（de）能力提高，越來越清楚的事實（shí）是，地球的自（zì）轉周期並非恒定。這個周期不僅由於潮汐摩擦作用逐漸變慢（màn），而且隨著季節的變化而變化，更糟的是，它還以不可預（yù）測的方（fāng）式波動。

1955 年（nián），路易斯·埃森(Louis Essen)和傑（jié）克·帕裏(Jack Parry)在NPL研製（zhì）出第一個實（shí）用的銫原子頻標，從（cóng）而啟動了計時領域的革命(圖1)。

圖1 埃森和（hé）帕裏與他們研製的銫原子鍾

時間的標準（zhǔn）化

太陽時並非處處相同。以英國為（wéi）例，伯明翰（hàn）落（luò）後倫敦（dūn）8 分鍾，利物浦落後12 分鍾。當主要人口中心之間的通訊和（hé）旅行時間較慢時這（zhè）並不重要。但隨著19 世紀鐵路的建設，情況發生了巨大的變化。由於每個車站（zhàn）的地方時間不同造成了混亂，而且（qiě）隨著路網的擴大，事故和未遂事故越來越多。一個標準時間就成（chéng）為（wéi）必（bì）要了。

1840 年（nián）由英國西部大鐵路帶頭（tóu），“鐵路時間”在隨後的幾年中逐漸被其他鐵路公司所采用。列車時刻表標準化到格林（lín）尼治時間（jiān）(GMT)，到1855 年，時間信號用電報從格林尼（ní）治傳遍英國鐵路（lù）網。然（rán）而，直（zhí）到1880 年，GMT作為全英統一標準時間的作用才在立法中確立。四年後，在美國華盛頓舉（jǔ）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的參（cān）考標（biāo）準，而（ér）秒被正式定（dìng）義為（wéi）平（píng）太陽日的1/86400。

原子鍾是如何工作的

在銫原（yuán）子鍾裏，微波源的頻率一直被仔細（xì）調（diào）整到與（yǔ）銫原子基態兩個超精細能（néng）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，從吸收信號產生的反饋信號被用來保持微波源調諧到這個高（gāo）準確度的特定頻率。時間顯示是通過對微波（bō）源的振蕩（dàng）進行（háng）電子學計數而產生的。

路易斯·埃森在NPL研製的最初的時鍾使（shǐ）用一束熱的銫原子，其準確度約（yuē）為（wéi）1×10^-10。如今，銫基（jī）準鍾使用一種被稱為“原（yuán）子噴泉”的架構，在這種架構中，激光冷卻的原子通過（guò）微（wēi）波腔向上（shàng）發射，然後在重力作用下回落。使用冷原子意味著相互作用的時（shí）間可能比熱束鍾長得多，從而提供更高（gāo）的譜分辨率。經過仔細評估環境擾動引起的係統頻移，如今最好（hǎo）的銫噴泉鍾的準（zhǔn）確度達到了1×10^-16，不過測量結果必須經過幾天的平均時間才能達到這個水平（píng）。它們作（zuò）為基準鍾為國際原子時(TAI)做貢獻。

他們（men）的設備（bèi）並不是真正（zhèng）意義上的時鍾，因為它並不連續運行，隻是用來每隔幾天校準一台外部石英鍾的頻率。盡管如此，通過研究共振頻率如何依賴於環境條件，埃森和帕裏令人信服地證明，與任何基於天體運動的標準相比，隔離（lí）良（liáng）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間間隔參考。埃森後（hòu）來寫道：“我們邀請了(NPL)主任來見證天（tiān）文秒的死亡（wáng）和（hé）原子時的誕生。”

但證明（míng）新標（biāo）準的（de）穩定度並不（bú）足以重新定義秒。新定義必須（xū）在測量不（bú）確定度的範（fàn）圍內與舊定義保持一致。埃森和（hé）帕裏因此著手相對於皇家格林尼治天文台發布的天文（wén）時標來測量他們的（de）銫（sè）標準的頻率。

與此同時，天文（wén）學家轉而（ér）使用基於地球（qiú）繞（rào）太陽公轉周期的曆書時。他們的論據是，地球繞（rào）日公轉比其自轉更穩定，但可惜對於大多數實際測量目的來說，公轉周（zhōu）期長得太不切實際了。然而，國際（jì）計量委員會跟隨他們的引導，在1956 年選（xuǎn）擇曆書（shū）秒作為國際單位製中的時間基本單（dān）位。正如埃森所說：“就連（lián）科學機構也會做出荒謬的決定。”

但不管荒謬（miù）與否，仍需要將銫（sè）的頻率與曆書秒聯係起來。他與（yǔ）美國海軍（jun1）天文台（tái）的威廉·馬科維（wéi）茨(William Markowitz)合作完成了這項（xiàng）工（gōng）作。最後，在1967 年的國（guó）際計量大會上決定，將秒重新定義為“銫133 原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期”。

2 新一代技術

結構更緊湊、成本更低(盡管準確度（dù）低些)的銫原子鍾被開發出來，應用也得到了蓬勃發展。也許我們並不總是意識得到，日常生活的許多重要方麵其實都離不開精確的計時。移動電話、金融交易、互聯網、電力（lì）和全球（qiú）衛星導航係統都依（yī）賴於時間和頻率標準。

不過，盡管銫原子（zǐ）的躍遷已被證明是（shì）秒定義的持久基礎，銫原（yuán）子鍾現在可能正達到其準確度的極限，進（jìn）一步改（gǎi）進可能會（huì）開辟新的應用領域。在這種形勢下，基於光頻躍遷而不是微波躍遷的新一代原子鍾應（yīng）運而生。這些新型時鍾由於工作頻率（lǜ）高得多而提高了精確度。在其他條件相同的情況下（xià），原子鍾的穩定（dìng）度與其工作頻率成（chéng）正比，與電子躍遷譜線的線寬成反比。但在實際應用中，穩定度還取決於原（yuán）子吸收特征的信噪比。

在光學原子（zǐ）鍾裏，超穩定（dìng）激光器（qì）被鎖定於（yú）電磁波譜光頻區域的（de）窄譜電子躍遷，即所謂的“鍾躍遷”上。目前正在研究（jiū）的光鍾可（kě）分為兩類：一類是基於單個激光冷卻的囚禁離子；另一類是基於囚禁（jìn）在光學晶格中的激光冷卻原子團。前者是射頻（pín）電磁阱中的單個激光冷卻離子，接近於無擾（rǎo）動環境中的一個靜止吸收粒子的光譜學理想情形。囚禁的單個離子（zǐ）被冷卻後，它可以（yǐ）被限（xiàn）製在一個尺度小於鍾激光波長的空間區域內，這意（yì）味著吸收特征的（de）多普勒展寬被消除了。

通過控製離子的剩餘運動，確保它嚴格地限製於囚（qiú）禁阱中（zhōng）心，也可以大大抑製其他係統頻移。因此，這類時鍾（zhōng）具有非常高準確度的潛（qián）力。缺點是單個離子產生的吸收（shōu）信號信噪比不高，這限製（zhì）了時鍾能夠獲得的（de）穩定度。

另一方麵，中性原子可以被大量（liàng）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，穩定度隨著原子數量的平方根而提（tí）高。研究人員現在可以將數千個激光冷卻的原（yuán）子囚禁（jìn）在光學晶格阱中——最常見的是由相交激光（guāng）束形成的一維（wéi）勢阱陣列。

人們可能認為，用來囚禁原子的光束會改變鍾躍遷的頻率。然而，這是可以避免的，隻需將用於創建晶格（gé）的激光（guāng）調諧到一個“魔術”波長（zhǎng），在那裏（lǐ）鍾躍遷上下能級的頻移量完全相同——一個解決方案在2001 年由日本東京大學的香取秀俊（jun4）(Hidetoshi Katori)首次提出。

目（mù）前，美國科（kē）羅拉多州博（bó）爾德國家標準與技術（shù）研究所安德魯·勒德洛(Andrew Ludlow)領導的研究小組保持著光鍾穩定度（dù）的記錄。他們的鐿（yì）光晶格鍾最近結果表明在數千秒的平均時間內穩定度達1×10^-18。然而，囚禁（jìn）離子光鍾也表現出遠優（yōu）於銫原子鍾的穩定度，兩種類型光鍾的係統不確定度評估現在都達到了10^-18級。這遠遠超過了銫頻率基準的（de）準確度（dù），並提（tí）出了一（yī）個明顯的問題：是時候再次重新定義秒了嗎？

3 計時技術的未來

當然，為避免定義上的任何不連續性，需要用銫鍾頻率來準確地測定所選光學標準（zhǔn）的（de）頻率。這（zhè）個任務很容易用飛秒光學頻率梳來完（wán）成（chéng）。這種具有均（jun1）勻頻率間隔梳齒光（guāng）譜的激光源（yuán），是（shì）連接光學頻率和微波頻（pín）率之間的（de）橋梁。重新定義的一個（gè）障礙是，目前還不清楚到底（dǐ）哪種光鍾最好。研究中的係統都各有優缺點——一（yī）些可（kě）提（tí）供更高的穩定度，而另一些更能避免環（huán）境擾動的影響（xiǎng）。

另一個挑戰是對不同實驗室獨立研（yán）製的（de）光鍾進行直接比對，通過實（shí）驗（yàn）驗（yàn）證它們評（píng）估的（de）係統不確定度。在這方麵，歐洲的（de）研究人（rén）員有一個優勢，因為已（yǐ）經可以使用光纖（xiān）連接，將英國、法國和德國的光鍾以必要的準確度水平進行比對。遺憾的是（shì），這些技術目（mù）前不能跨洲（zhōu）使用，必須找到連接美國和日本（běn）光鍾的替代方法。

遠程（chéng）時鍾比對實驗還必須考慮到時鍾頻率的引力紅移。對於不確定度為1×10^-18的光鍾，這（zhè）意味著必須以相應約1 cm高差的（de）準確度知道時鍾所在位置的（de）重力勢，這是對目前技術水（shuǐ）平（píng）的顯著提高。重（chóng）力勢的潮（cháo）汐變化也必須（xū）加以（yǐ）考慮。

盡管所有這些挑戰假以時日均可克服，秒的重新定（dìng）義要得到國際共識還有一段路（lù）要走。在那之前，全球時間頻率計（jì）量學界已同意，光學原子鍾原則上可以作（zuò）為秒的次級定義對國際時標作出貢獻。

事實上，光學原子鍾前所未（wèi）有的精確度已經讓基礎物理（lǐ）學受益。例（lì）如，通過比較數年中不（bú）同時鍾的頻率，為精細結構常數(α≈1/137)和質子—電子質量比現在的時間變化設置了更嚴格的上限。

光鍾也（yě）可能開辟出全新的應用領域。通過比較可移動（dòng）光鍾與固定參考時鍾的頻率，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（de）重力（lì）勢差。這種測量方法將導致對海拔高度更加一（yī）致的定義——目前不同（tóng）國家用不同的潮汐（xī）儀進行測量，而且地球（qiú）上海平麵並不處處相同。它們還可以讓我們監測海平麵的實時變化，追（zhuī）蹤（zōng）冰蓋（gài）質量和整體海洋質量變（biàn）化的季節性和長期趨勢——這（zhè）些數據為用於研究和預測氣候變化影響的模型提（tí）供了關鍵輸入。也許具（jù）有諷刺意味的是，借助最（zuì）新的“篡位者”——光鍾，我們將能夠更詳（xiáng）細地研究地球——秒的最初定義就來自它的自轉。

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