在科罗拉多州博尔德市群山脚下，美国国家科学技术研究所的实验室里，摆放着世界上最精确的时钟。
它如此精确，以至于由于其性能超越了其他原子钟，其创造者直到最近才能够测量出它的精度。他们最近制造了它的第二个版本。现在，有了两个版本可供相互比较，他们得出了一个时钟精度的数值，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，这个滴答速率随时间的变化程度是多少？”在 NIST 博尔德实验室工作的物理学家 Andrew Ludlow 告诉《大众科学》杂志。 “理想情况下，你希望每一次滴答都与其他滴答完全相同。”
NIST 博尔德时钟的不稳定性为 10 的负 18 次方分之一。这比国际政府用来定义完美秒的最优良的铯原子钟要稳定约 100 倍。而且比 石英手表 稳定约 100 亿倍。
“这些时钟可以非常精确地测量引力场，”Ludlow 说。
NIST 博尔德时钟采用的是比铯原子钟技术领先一代的科技。它们恰好使用镱原子，这是一种稀土元素，但世界上其他下一代时钟也使用其他元素，例如锶和汞。
这些下一代时钟可以用于测量基础物理学中一些非常有趣的效应。例如，爱因斯坦的相对论一直是实验上难以证明的。NASA 的一颗卫星 在 2011 年就测量了地球周围时空的扭曲。然而，下一代原子钟可以在地球上测量相对论效应。
相对论预测，在强引力场中，时间会变慢。像 NIST 博尔德这样的时钟应该能够探测到这种减慢……以及这种减慢在地球不同地方是否不同。“这些时钟可以非常精确地测量引力场，”Ludlow 说。“它允许你绘制出某个区域的引力场图。”
然而，Ludlow 的时钟太大太易碎，无法移动到任何地方进行实验，因此它们并不经常用于实际测量。Ludlow 说，美国政府已拨款给 NIST，用于开发更坚固、更便携的原子钟用于实验。更便携的原子钟也可以进入太空，在那里进行物理学实验。
NIST 时钟是光学晶格钟，这意味着它们有一个强大的激光场，可以将大约 10,000 个镱原子固定在原地。另一个激光器会激发原子，原子的运动就是时钟测量时间的方式。用激光器激发原子会使它们以比铯原子钟中的原子更高的频率振动。因此，光学晶格钟的滴答声更快，能够滴答出更精确的时间单位。时钟中有如此多的原子有助于平均化任何单个原子的不确定性。
因此，NIST 镱光学晶格钟是世界上最精确的，Ludlow 和他的同事们 今天 在《科学》杂志上发表的论文中记录了这一创纪录的成就。那么精度（即时钟测量的时间与真实时间的比值）如何呢？要测量时钟的精度，科学家们会尝试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。
Ludlow 和他的团队上一次对镱时钟进行此项测量是在 2009 年，当时他们发现它的精度与铯原子钟相当。他们现在正在再次测量精度。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。
