為什么原子鐘的誕生，將重塑“時間”的定義？| 十萬個量子為什么（二十）

你聽說過原子鐘嗎？從最早的計時器械日晷，到擺鐘、機械鐘、石英表，時鐘的精度越來越精確。日常生活中對于時間的定義已經可以精確到“秒”。1967年，第13屆國際計量大會將1秒定義為：無干擾情況下133Cs（銫）原子基態的兩個超精細能級之間躍遷對應的輻射持續振蕩 9192631770 個周期的時間。而如今，光鐘的出現，不僅性能超越微波段的銫噴泉鐘，更是引發了關于重新定義“秒”討論。什么是原子鐘？為什么原子鐘的誕生，將重塑“時間”的定義？

什么是原子鐘？

原子鐘是產生穩定頻率信號的設備，它通過電磁波-原子相互作用產生的鑒頻信息，將本地振蕩器（電子學或光學的）鎖定到原子的躍遷頻率上。基于頻段的不同，原子鐘可大致分為微波鐘、光鐘兩類；在光鐘里，根據躍遷的量子參考體系的不同，可分為離子光鐘、中性原子光鐘，以及近兩年實驗上取得突破進展的核光鐘。

▲原子鐘工作原理

我們已經有平時使用的鐘表，為什么還要研發原子鐘呢？普通鐘表（如石英表），主要依賴石英晶體振動，但溫度變化會影響其頻率，每天誤差約1秒，而原子鐘使用的是原子振動頻率，原子振動頻率由自然法則固定，不受環境影響，精度可達3000萬年誤差不到1秒。

▲時鐘的歷史演變圖例

原子鐘家庭大揭秘

微波鐘

微波鐘利用原子內部的穩定鐘躍遷（“能級躍遷”，即振蕩）作為計時基準。這種振蕩位于微波波段（類似WiFi信號的波段），因此稱為“微波鐘”。

我們平時使用的微波鐘有三種，分別是銫噴泉鐘，氫鐘和銣鐘。在工作時，銫原子被激光冷凍成接近絕對零度的“原子球”，通過垂直激光拋射形成“噴泉運動”（上升后下落）。下落時原子穿過微波腔，通過共振信號鎖定其固有振動頻率，鎖定后1億年才誤差1秒，是各國時間實驗室的基準設備。氫鐘作為短期精度之王，信號極其清晰，短期穩定性最優，1秒內的精度達千萬億分之一，十分適合衛星的實時定位。而銣鐘因其小巧實用被各個日常生活的廠家喜愛，其原理是用紅光照射銣原子使其整齊排列，再通過微波調整原子狀態。通過檢測透射光的變化鎖定共振頻率。

微波鐘已廣泛應用于我們的日常生活之中。例如，我們所使用的GPS或北斗導航衛星，便搭載了高性能的氫鐘或銫鐘。衛星向手機發送信號，通過傳輸時間與光速的乘積計算距離——若鐘差達到一納秒（十億分之一秒），就會引起30厘米的定位偏差。而微波鐘的使用，可將誤差控制在1米以內。在日常生活中，我們使用的5G信號需經由5G基站傳輸。所有這些基站都必須將時間同步精度維持在百萬分之一秒以內，否則會導致數據沖突。由于體積小、成本低，銣鐘被集成在全國數百萬個基站中，發揮著關鍵作用。無論是引力波探測還是火星著陸任務，高精度的時間同步都是實現精準操作的前提。時間若存在千分之一秒的誤差，就可能導致衛星軌道偏差達十萬公里。同樣，在金融領域的高頻股票交易中，下單速度相差千分之一秒，可能造成百萬元的損失。因此，交易所也采用微波鐘技術，以實現全球服務器間的時間同步。

▲空間高精度時頻系統示意圖

離子光鐘

離子光鐘的主要代表包括鈣、鋁、镥、鐿、鍶、銦等，這些離子基于其原子能級結構、對外場干擾的敏感度、激光操控可行性等物理特性而被選擇。位于武漢的中科院精密測量院的40Ca+光鐘準確度已經達到4.6E-19（689億年誤差1秒，遠超宇宙年齡），處于世界領先水平。

鋁離子光鐘在離子光鐘的領域也大放異彩。NIST最新的27Al+準確度達到5.5E-19。其相對其他離子黑體輻射頻移弱，受溫度波動影響較小，但在技術上也有其難點，需要借助其他離子完成實驗。除了NIST的27Al+離子光鐘，華中科技大學的27Al+離子光鐘也達到了1.6E-18的準確度。

中性原子光鐘

中性原子光鐘的代表元素包括鍶、鐿、汞。與離子鐘僅探詢單個離子不同，中性原子光晶格鐘通過同時探詢大量原子，降低量子投影噪聲，提升了光鐘的穩定度。量子投影噪聲的含義可以理解為：測量單個粒子的量子態，其測量結果要么是基態要么是激發態，當粒子數少時這種離散結果需要大量平均才能得出激發率。在中性原子光鐘領域，光晶格是實現同時探詢大量原子的關鍵技術，它利用兩束反向傳播的激光干涉形成周期性駐波勢阱。因此原子被晶格光牢牢束縛住，這使得高精度光譜操縱成為可能。同時被束縛的大量中性原子抑制了量子投影噪聲：激發態原子數占比直接穩定地給出激發率，避免了探測單個微觀粒子的二值化結果。

目前，國際上性能最優越的光鐘準確度已經達到8E-19水平。國內中國科學技術大學、中國計量研究院和中科院國家授時中心都各自建立了世界領先水平的鍶光鐘，華東師范大學也建立了領先的鐿光鐘。其中，中國科大潘建偉研究團隊成功研制了萬秒穩定度和不確定度均優于5E-18（相當于數十億年的誤差不超過一秒）鍶原子光晶格鐘，成為當前國內綜合指標最好的光鐘系統（）。

核光鐘

原子躍遷依靠核外電子狀態的改變，而核躍遷依靠原子核狀態的改變，其對核外電子結構不敏感，被期望具有較好的環境抵抗能量，有利于光鐘性能的突破。但是在技術上，精細操控躍遷通常需要激光技術來實現，而受限于光學材料的性能（激光增益介質、光學玻璃）X射線甚至更高頻的波段內并無激光技術可用。因此低能量的核激發態，例如釷的229mTh態就成為了關注的目標，因為真空紫外正處于激光技術的極限。

自1976年核物理學家提出229Th原子核存在一個極低能量的激發態（229mTh態）以來，大量研究團隊一直試圖在實驗上尋找該躍遷，直至近兩年，國際上多個團隊（德國PTB，美國UCLA，JILA）明確地定位該躍遷；尤其是2024年葉軍教授領導的JILA團隊針對摻釷氟化鈣樣品，使用真空紫外光頻梳的直接激光激發方案，將此躍遷的頻率確定。此外，基于離子阱技術（例如激光冷卻229Th3+離子）的核鐘也具有前景。

▲研究人員使用頻率梳激光裝置探測嵌入晶體中的釷-229原子核。圖片來源：JILA

結語

從地球時鐘到宇宙時鐘，從精準計時到探索宇宙，現有時鐘在不斷超越秒的定義的同時，也在全球導航系統、也是驗證相對論、探測引力波、尋找暗物質等基礎科學問題上發揮著重要作用。

對于我國科學家來說，在空間進行原子鐘研究的部署也已經展開。讓我們一起期待，未來有一顆像“墨子號”那樣的實驗衛星，第一次搭載中國人自己研制的高性能光鐘，去探索有關宇宙時間和空間的秘密。

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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