为什么要重新定义“秒”？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《秒》，题图来自：unsplash

一

以更精确地方式定义我们的计量系统，最终能产生的效应往往是深远的。2018年11月16日，在第26届国际度量衡大会中，60个成员国代表投票通过了对一个重要的基本单位——千克的重新定义。在新的定义中，1千克等于普朗克常数乘以6.62607015×10⁺³⁴m^-2s。在那之后，科学家又将目光投向了时间的基本单位——秒。

在一项于近期发表在《自然》杂志上的研究中，美国国家标准技术研究所（NIST）的一个研究小组通过对三个原子钟采用一种新的测量方法，朝着这个目标迈出了重要一步。

二

自古以来，许多不同的文化都发展出了各自计量时间的方法和设备。一个突破发生在17世纪，当时，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯建造了第一台摆钟。固定长度的钟摆总是以相同的频率来回摆动，起到计时的作用。

 克里斯蒂安·惠更斯发明了首个摆钟。| 图片来源：Wikipedia

到了18世纪，英国钟表师约翰·哈里森（John Harrison）在惠更斯的想法的基础上，进一步地对计时仪器做出了改进。他意识到更小的、频率更高的振荡器，可以带来更稳定的共振，从而使钟表拥有更加可靠的计时能力。

现在，许多钟表采用一块小小的石英晶体来作为振荡器，它的形状就像一个微型的音叉，振动频率非常高，因此稳定性能非常好。在过去的一百多年里，石英钟表在设计上并没有太大变化，只是它们的价格变得更加便宜，可复制性也越来越强。最大的不同在于我们检查石英钟的方式。

在过去，石英钟表的校正需要借助一些规律的天文现象；而现在，我们可以根据原子内部的自然振荡来调节时钟。

原子钟最初由英国物理学家路易斯·埃森（Louis Esseb）创造的，它的工作原理是计算原子中的电子自旋的翻转频率。1967年，科学家通过铯-133原子在微波频率下的跳动，重新定义了时间的基本单位——秒。自那之后，1秒就被定义为铯原子的电子自旋翻转9192631770次的持续时间。这一定义一直沿用至今。

这是非常惊人的高精度，而这种精度有着至关重要的意义。比如以已经融入我们日常生活的全球定位系统（GPS）来说，每颗GPS卫星都携带一个原子钟，而根据爱因斯坦的相对论，我们知道绕地球高速运行的卫星上的原子钟的时间流逝，会稍慢于地面上的时钟。如果没有这种高精度的定义，我们就无法对这些微小的差异进行修正，GPS定位也就不可能实现。

三

不过，精益求精的科学家并不满足止步于此，他们还在思考这样一个问题：我们是否可以对秒做出更加精确的定义？

这个问题的答案，可以归结于是否还可以提高振荡器的频率。就拿铯原子来说，它有着与微波相对应的自旋翻转共振频率；但有的原子则有着与比微波频率还要高上百万倍的可见光相对应的共振频率。

在这篇于3月24日正式发表的研究中，NIST的研究人员描述了一种非常具有挑战性的测量方法。在实验中，他们使用了三种分别基于铝离子（Al⁺）、镱原子（Yb）、锶原子（Sr）的光学原子钟。他们将铝离子钟和镱原子钟置于NIST的不同实验室里，将锶原子钟置于离NIST约1.5千米之外的JILA（美国实验室天体物理联合研究所）中。

 NIST的研究人员精确地比较了来自三个光学原子钟的信号，其中两个原子钟位于NIST的不同实验室（标注了Yb和Al+/Mg+的原子钟)，还有一个（Sr）位于1.5公里外的JILA。| 图片来源：N. Hanacek/NIST

实验中的光学原子钟不仅可以通过地下光纤连接起来，研究人员还利用一种超快激光器建立了一个长1.5千米的自由空间链路。这是首次利用空中链接将处于不同位置的最先进原子钟连接起来的尝试。

其实，NIST的研究人员在之前的一项研究中就详细描述过，如何通过空中链接在镱原子钟和锶原子钟之间传输时间信号。他们发现，尽管空气中有湍流的干扰存在，但这种传输信号的方式与使用地下光纤传播信号的方法一样好，其精确度是传统的无线传输方式的1000倍。

在实验中，他们测量了一个被称为频率比的量。光学原子钟之间的频率比测量是许多需要依靠这种非凡精度的应用的基础，是评测光学原子钟的一个重要指标。然而，频率比测量的最高精度在近十多年来基本没有变化。

现在，研究人员以不确定性小于8×10⁻¹⁸的精度测量了三对（镱-锶，镱-铝，铝-锶）原子钟的频率比。换句话说，他们所测得的结果的误差不超过0.000000000000000008，是迄今为止对自然常数进行的三个最精确测量结果。

四

为什么科学家希望能够更精确定地义秒？其实，无论是对于实际应用还是基础研究，更精确的原子钟都将带来无可估量的益处。除了我们前面提到的GPS技术之外，它还可以被作为探索新物理学的灵敏探测器，比如探测被认为构成了宇宙中大部分物质的“暗物质”，以及发生在遥远太空中的由更小的天体并合所产生的极微弱的引力波；此外，更精确的时钟还可以帮助我们更好地了解到地壳应力的变化，从而更好地预测如火山爆发等自然事件。

新研究中所涉及到的三种类型的光学原子钟都无一例外地表现出了卓越的性能，并有望得到进一步改进。此外，新研究所进行的频率比测量虽然得到了打破纪录的结果，但研究人员认为还有提升的空间。现在，研究团队正致力于提高测量的稳定性，朝着对秒进行重新定义这一目标前进。

参考来源：

https://theconversation.com/scientists-are-hoping-to-redefine-the-second-heres-why-157645

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/nist-team-compares-3-top-atomic-clocks-record-accuracy-over-both-fiber-and

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.033395

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