世界上最精确的时钟：比铯原子钟精确 100 倍

在科罗拉多州博尔德市附近的山脚下，美国国家科学技术研究所的实验室里，安放着世界上最精确的时钟。

由于它的精确度超过了其他原子钟，它的创造者直到最近制造了第二个版本时才能够测量它的精确度。现在，有了两个可以相互比较的版本，他们得出了时钟精度的数字，时钟物理学家称之为时钟的稳定性。

“时钟稳定性是我们在这个领域使用的术语，基本上是指——如果你观察时钟的滴答速率，这个滴答速率会随时间发生多大变化？” NIST 博尔德物理学家 Andrew Ludlow 告诉《大众科学》，他致力于改进该实验室的原子钟。“理想情况下，你希望每一次滴答都完全相同。”

NIST 博尔德原子钟的不稳定性为 10-18 分之一。这比各国政府用来定义精确秒数的最佳铯原子钟稳定约 100 倍。它比石英手表稳定约 100 亿倍。

“这些时钟可以非常精确地测量重力场，”拉德洛说。

NIST 博尔德原子钟采用的技术比铯原子钟先进了一代。它们恰好使用了镱原子（一种稀土元素），但世界各地的其他下一代原子钟则使用其他元素，例如锶和汞。

这些下一代时钟可用于测量基础物理学中一些非常酷的效应。例如，爱因斯坦的相对论一直难以通过实验证明。NASA 的一颗卫星在 2011 年就测量了地球周围空间和时间的扭曲。然而，下一代原子钟可以在地球上测量相对论的影响。

相对论预测，在强大的引力场中，时间会变慢。NIST Boulder 等时钟应该能够检测到这种变慢……以及这种变慢在地球上不同地方是否不同。“这些时钟可以非常仔细地测量引力场，”Ludlow 说。“它让你可以绘制出一个区域的引力场。”

然而，拉德洛的原子钟太大太脆弱，无法随处移动进行实验，因此它们通常不会用于实际测量。拉德洛说，美国政府已向 NIST 提供资金，用于制造更坚固、更便携的原子钟用于实验。更多的便携式原子钟也可以进入太空，在那里进行物理实验。

NIST 时钟是光学晶格时钟，这意味着它们有一个强激光场，可以将大约 10,000 个镱原子固定在原位。另一束激光激发原子，原子的运动就是时钟测量时间的方式。用激光激发原子会使它们以比铯原子钟中原子更高的频率振动。因此，光学晶格时钟走得更快，能够更精确地计时。时钟中有这么多原子有助于平均任何一个原子的不确定性。

因此，NIST 镱光学晶格时钟是世界上最精确的时钟，这是 Ludlow 和他的同事今天在《科学》杂志上发表的一项记录。那么精确度呢，或者说时钟相对于真实时间的测量结果呢？为了测量时钟的精确度，科学家试图测量世界上所有可能改变时钟原子的因素，例如温度变化或激光晶格对原子的影响。

拉德洛和他的团队上次对镱原子钟进行这样的测量是在 2009 年，当时他们发现镱原子钟的精度与铯原子钟相当。现在他们又开始测量精度了。至于世界上最精确的原子钟，它也位于 NIST 博尔德，被称为铝量子逻辑离子钟。