研究人员刚刚将三个原子钟连接起来，这可能会改变计时的未来

高耸的摆钟每月会慢或快一分钟左右，而电子表的石英则能保持几秒钟的误差。但在计时领域的前沿，科学家们正在对钟表进行微调，使其在数十亿年的时间里不会再出现哪怕一秒的误差。

改进一个已经如此精确的时钟似乎微不足道，但对于一些科学领域来说，这却至关重要。更好的时钟可以微调研究人员测量相对论和暗物质的能力。它们还有助于大地测量学，即测量地球本身的科学，使我们能够绘制出地球的重力、表面和海底，精度达到厘米级。而且由于 GPS 等系统依赖计时信号，它们可以解锁新一代导航技术。

部分原因是，制造出更精确的时钟可以让科学家更好地定义秒，也就是我们的基本时间单位。虽然大多数标准 SI 单位在 2019 年被重新定义，但秒不是其中之一。事实上，秒的定义自 1967 年以来就没有改变过。

但现在，科罗拉多州博尔德的数十名研究人员在博尔德原子钟光学网络 (BACON) 中齐心协力，成功将世界上三台最精确的时钟连接在一起，朝着创建新定义迈出了关键一步。通过连接不同的时钟，研究人员可以检查以确保它们都能可靠地计时。

一旦实现这一点，就为这种更新、更精确的时钟重新定义秒铺平了道路。BACON 的测量结果最近发表在《自然》杂志上，其精确度甚至比当今地球官方计时机构使用的超精确原子钟还要高出 100 倍左右。

如今，我们用原子（大多数情况下是铯-133）来定义秒。具体来说，我们研究电子改变能级时吸收和发射的光子的频率，在铯-133原子中，这些光子就是微波。你可以使用这些微波的周期（波峰之间的时间）来计时。也就是说，这些周期中的 9,192,631,770 个正好构成一秒。

这听起来很了不起，事实也确实如此——但这是冷战时期的技术。BACON 和其他项目正在研究一种新型的原子钟，称为光学钟，它依靠光来计时。由于光的频率比微波高，因此周期更短，因此你可以利用光来获得更准确的计时。

最新的铯钟精确度可达十亿分之一秒。为了证明光学钟确实是未来的发展方向，科学家们需要让其精确度比以前的铯微波钟高出 100 倍——这是他们在这项新研究中达到的基准。

但他们还需要世界各地的不同钟表来确认时间，特别是因为并非所有光学钟表都使用相同的原子。这并不容易。不仅钟表本身的运行方式不同，相对论的影响也显而易见。由于地球引力造成的微妙时间膨胀，不同海拔高度的原子钟以不同的速率走时。

[相关：究竟如何在一年中添加闰秒？]

科罗拉多州博尔德市是连接光学时钟的沃土，因为那里至少有三台光学时钟——两台在 NIST 实验室，第三台在约 0.9 英里（1.5 公里）外的科罗拉多大学博尔德分校的 JILA。这三台时钟都使用不同的原子：JILA 使用锶-87，NIST 使用铝-27 离子和镱-171。

这两个站点之间已经有一条链路。“我们很幸运，博尔德市地下有一条光纤电缆，将 JILA 的时钟与 NIST 的时钟连接起来，”科罗拉多大学博尔德分校和 NIST 的研究员 Holly Leopardi 说。这是一种成熟的方法，可以以科学家想要的精度连接光学时钟；例如，研究人员已经建立了一个连接欧洲各地时钟的光纤网络。

“但你总是担心可能会出现一些你没有意识到的问题，或者类似的事情，”NIST 研究员 David Hume 说道。“所以我们希望这个网络尽可能地具有冗余性。”

考虑到这一点，研究人员在地面上创建了第二个链路。他们构建了一个系统，在 NIST 大楼顶部和大学校园内 11 层高的伽莫夫塔顶部之间发射激光脉冲。

BACON 研究人员随后采用两种不同的方式测量时钟频率之间的比率，从而检查时钟和链路是否可靠。 这两个数字确实符合他们想要的超高精度。

“有一天，我们没有得到重叠的测量数据，那是因为那天下了一场暴风雪，”休姆说。“我们无法让激光穿过雪层，也无法在另一端获得足够的信号。”

当你试图对每秒数十亿个滴答进行计时时，即使是电缆中的信号丢失和大气中的湍流等极其微小的因素也会影响你的脉冲。研究人员必须反复检查他们的链路和测量系统是否没有增加误差。

“自由空间系统真正酷的地方在于它能够测量大气中的所有噪音和湍流，”Leopardi 说，“并且我们能够对其进行纠正。”

科学家们最终希望利用这项技术创建一个全球网络，例如将美国的光学时钟与欧洲或东亚的光学时钟连接起来。目前我们还无法做到这一点——如此长的距离会产生太多误差——但科学家们希望很快创建一个卫星网络，利用 BACON 的自由空间链路。

“我认为我们能够齐心协力、共同进行这项测量并共同努力获得这些结果真是太棒了，”Leopardi 说。