在人类历史的大部分时间里，我们通过地球在空间中的位置来计时。一秒是地球一天的一个细分，后来又演变成地球年：时间跨度由地球的位置定义。然后，原子钟出现了。
科学家们深入研究了元素铯的原子，其中一个称为超精细跃迁的过程会发射和吸收微波，科学家们借助振动的石英晶体可以非常精确地测量这些微波的时间。这构成了科学家们如今测量时间的理论基础，并使他们在1967年能够对“秒”做出更精确的定义。
这个定义半个多世纪以来没有发生重大变化，用于创建它的原子钟的计时精度也没有。自恐龙灭绝以来，这些原子钟甚至不会丢失一秒。但更好的原子钟已经出现，它们不仅用于计时，也是出色的物理学工具。
现在，两个不同的团队制造出了能够测量时钟内部细微物理现象的时钟。研究团队于2月16日在《自然》杂志上发表了他们的各自研究结果，分别刊登在两篇不同的文章中。这些新时钟能够以迄今为止最小的规模测量阿尔伯特·爱因斯坦的预测之一——引力导致的时间膨胀。
这些尖端的原子钟既不使用铯也不使用石英。取而代之的是，它们的基础是像煎饼一样平铺的超冷锶原子结构。操作员可以使用发射可见光的激光来控制原子。因此，它们被称为“光学时钟”。
威斯康星大学麦迪逊分校就有一个这样的光学时钟。这个时钟在一个结构中容纳了六个锶“煎饼”，相当于六个更小的时钟。（这个数字并没有什么特别之处；他们可以增加或减少数量。“六有点随意，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家 Shimon Kolkowitz 说。）
麦迪逊时钟可以在 3000 亿年的时间跨度内将时间精度保持在 1 秒之内——这比宇宙的年龄长 20 倍以上。这原本可以算是一个世界纪录，但这个时钟甚至不是目前最强大的时钟。它被JILA的一个多时钟设备超越了，JILA是美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合项目。
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在同一个设备中拥有多个“时钟”对于计时本身来说不一定有用。（例如，你会看哪个时钟？）但它们允许你对时钟进行相互比较。由于这些时钟非常非常精确，它们可以测量一些非常精确的物理现象。例如，博尔德团队可以在一个设备内测试时间膨胀。
“到目前为止，这基本上是需要通过比较远距离上的不同时钟来发现的东西，”JILA和NIST的研究生Tobias Bothwell说。
根据相对论，当你接近光速时，速度越快，时间流逝得越慢。引力场也会引起相同的减缓：引力场越强，时间膨胀效应越大。以地球为例。你离地球中心越近，地球的引力把你向下拉的力量就越大，你经历的时间膨胀就越大。
事实上，你经历的时间比你头顶上的鸟类的时间流逝得慢，而你脚下的物质所经历的时间实际上比你流逝得更慢。地球的核心实际上比地壳年轻 2.5 岁。这听起来可能很多，但与我们星球 46 亿年的漫长历史相比，这在时间的长河中连一滴水都算不上。尽管如此，科学家们几十年来一直在测量这些细微的差异，使用的工具从伽马射线到发往火星的无线电信号，再到原子钟。
1971年，两位科学家乘坐商业航班携带原子钟，分别向东和向西环绕世界飞行。他们测量到了几百纳秒的微小差异，与预测相符。2020年，科学家们利用两个时钟，一个比另一个高 1480 英尺，设在东京晴空塔上，并发现了再次证明爱因斯坦理论正确的差异。
这些实验表明相对论具有普遍性。“基本上，它在地球上的任何地方都是一样的，”JILA和NIST的研究生Alexander Aeppli说。“如果你在这里能测量一厘米，你在别的地方也能测量一厘米。”
NIST已经达到了厘米级别。2010年，NIST的科学家们使用相距约一英尺的不同时钟进行了一次类似的测量。
在一项新的研究中，一个设备中的两个锶“煎饼”的距离甚至更小：约一毫米。在收集了 90 小时的数据后，博尔德团队能够分辨出光线的细微差异，使测量精度比以往任何一次都提高了 50 倍。
Bothwell说，他们之前的测量记录是观察到膨胀——光频率的差异——达到小数点后 19 位。“现在，我们达到了 21 位……通常情况下，当你移动小数点的一位，你就会感到兴奋。但我们很幸运能够实现两位数的提升。”
Kolkowitz认为，这些是“非常美丽且令人兴奋的结果”。
但 Kolkowitz（他没有参与NIST的研究）表示，NIST的时钟有一个缺点：它不容易从实验室中移出。“NIST团队拥有世界上最好的激光，而且它并不太便携，”他说。
他认为这两个团队的工作是互补的。博尔德时钟可以以越来越高的精度测量时间和其它物理特性。与此同时，他认为像麦迪逊时钟那样更易于移动的时钟，可以被带到各种环境中，包括太空，以探测暗物质或引力波。
虽然证明基础物理学正如爱因斯坦等人所设想的那样运行非常酷，但这类科学实际上也有相当多的实际应用。例如，导航可以受益于更精确的时钟；GPS必须修正时间膨胀的影响。测量时间膨胀的强度可以让你更精确地测量引力场，这可以，例如，探测地球表面之下。
“你可以观察地球下方的岩浆柱，然后找出，也许，火山何时可能爆发，”Aeppli说。“诸如此类的事情。”
更正于2022年3月2日：本故事的先前版本称地球核心比地壳老约 2.5 岁。事实上，由于引力时间膨胀，核心比地壳年轻 2.5 岁。
