锶原子光晶格钟：35亿年不差一秒

  【晒晒咱的国之重器27】

  逝者如斯夫，不舍昼夜。对于两千多年前的古人来说，时间就是昼夜交替。对于今天的科学家而言，时间是原子的“跳动”。

  在中国计量科学研究院，有一种特殊的计时设备——锶原子光晶格钟。它以锶原子的跃迁频率作为时间计量标准。而且，可以把时间测量的准确度提高到35亿年不差一秒。

  时间这么精确有什么用？大有用处！而且，科技越发展，用处越大！

  就拿已深入每个人生活的全球卫星导航系统来说，精密时间测量发挥了重要作用。导航系统需要多颗导航卫星组网运行，每颗卫星上都放置有特殊的高准确度的钟，将时间发送到地面。科研人员根据接收到不同卫星信号的时间差和坐标，计算出地面的具体位置。在这个过程中，时间越精确，时间差的测量误差就越小，定位的准度就越高。

  中国计量院时间频率研究所所长房芳告诉记者，高精度的时间测量还在5G通信、航天发射和测控、智慧城市等领域有着不可替代的作用。

  不过，要实现高精度的时间测量，并不容易。在很长的历史里，人类计时一直用的是天文秒。就是将地球自转的周期等分为86400份，据此得到秒长。天文秒取决于地球运动的周期，会随地球运动速率的变化而变化，不够稳定，这自然也会影响其准确度。

  随着量子物理的发展，科学家发现某些量子现象的稳定性远远优于天文现象，非常适合作为时间频率基准，于是提出原子秒，并将其定义到铯-133原子跃迁频率上，即铯-133原子振荡91亿9263万1770次为1秒。中国计量院研制的铯原子喷泉钟，准确度达到6000万年不差一秒。

  铯原子喷泉钟属于微波钟，它采用的是原子跃迁吸收微波波段的频率。“而锶原子光晶格钟的光学频率比微波频率更稳定，稳定度提高后，准确度也相应会提高，因此其准确度可以高几个量级。”房芳解释，这种基于光学频率的原子钟又被称为光钟。

  中国计量院从2005年开始自主研制锶原子光晶格钟，并不断改进，相对频率准确度目前可达到10^-18秒，相当于35亿年不差一秒，未来还可能提高到上百亿年不差一秒。

  目前，科学界正在探讨未来进一步修改秒的定义的方案，使时间测量更精准。锶原子光晶格钟等光钟，频率更稳定，测量的结果也更准确，为进一步修改秒定义提供了现实可能性。

  当然，光钟更加直接的作用，是作为时间频率计量的基准。钟表走得快了还是慢了，必须有一个最终的参照，光钟就承担这样的角色。

  光钟还可以用来探测引力波。引力波出现时会改变引力势，而引力势会改变光钟的频率。光钟的准度越高，越有利于探测引力波。此外，光钟在验证相对论、检验物理常数变化、发现暗物质等前沿物理领域都可以发挥重要作用。

  逝者如斯夫，我们的科研人员正在为实现更精准的时间测量而不舍昼夜地工作着。

  （本报记者 陈海波）