科学家们朝着“在本十年末重新定义秒”的宏伟 全球目标迈出了重要一步。本周 发表的一项研究 详细介绍了来自六个不同国家的科学家如何同时比对 10 台光学钟的测量结果——这是一种先进的时间测量方式，其精度比目前用作全球标准的最佳铯原子钟 高 100 倍。
这些测量结果构成了迄今为止最大规模的光学钟协调比对，并显著降低了先前研究中报告的测量结果之间的不确定性。这也意味着光学钟比以往任何时候都更接近成为新的计时标准，这一转变可能会对从气象学到我们对基础物理学的理解产生巨大的连锁反应。
研究人员表示，这些发现支持“朝着重新定义秒和使用光学标准作为国际时间尺度迈进”。
什么是光学钟？
简而言之，光学钟是极其精确的仪器，用于测量原子被激光激发后的频率。首先将原子冷却至接近绝对零度，然后使用激光探测它们的振动。这些振动被称为 频率比。这个精确的频率随后对应于一秒的“滴答”。科学家们认为，这种方法比过去五十年来一直作为全球标准的铯原子钟能产生远更精确的结果。作为参考，研究人员表示，光学钟数十亿年都不会走失一秒。事实上，《新科学家》估计，即使你等待宇宙的当前年龄四倍的时间，光学钟也只会偏差不到一分钟。与典型的腕表相比，腕表可能在短短几个月内就会出现偏差。
光学钟极其精密，但也非常复杂。全世界只有大约 100 台，这主要是因为它们难以制造、操作和维护——它们也很容易损坏。将它们相互比较是出了名的困难。不同的时钟测量不同类型原子的频率，每种原子都有其独特的频率。这意味着建立一个一致、高度精确的标准的方法是直接相互比较这些时钟。这正是最近这些研究结果发挥作用的地方。
来自芬兰、法国、德国、意大利、英国和日本的研究人员在一个由欧洲牵头的名为 ROCIT 的项目中进行了合作，比较了 10 台不同的时钟。测量是在 2022 年进行的为期 45 天的期间内完成的。过去，小型光学钟比对依赖卫星链路来测量差异，但这项研究同时使用了卫星链路和光纤电缆。这很重要，因为它允许更精确的测量。
VTT MIKES 气象研究中心高级科学家 Thomas Lindvall 在一份声明中说：“同时比较多个时钟并使用多种类型的链路技术，比迄今为止进行的主要是成对时钟比对能提供更多信息。” 他说。
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光纤电缆横跨欧洲数千英里，使研究人员能够连接各个时钟的频率输出。他们在过程中考虑了信号噪声和其他仪器的局限性。总的来说，此次比对产生了 38 个同时测量的不同频率比，其中四个是首次测量。据研究人员称，其余频率比的测量精度比以往任何时候都高。
意大利国家计量研究所 (INRiM) 高级研究员 Marco Pizzocaro 在一份声明中说：“这些测量提供了关键信息，说明光学钟还需要做哪些工作才能达到国际计时所需的精度和可靠性。” 他说。“我们的实验还展示了欧洲的光学钟如何能够互联，以最先进的精度测量频率比。”
更精确的测量有助于揭示宇宙的奥秘
尽管在光学钟能够正式成为全球标准之前还需要进行更多比对，但研究人员对未来感到乐观。其益处不仅限于改进计时。更精确的测量可以帮助科学家更准确地检验阿尔伯特·爱因斯坦的 相对论，并为对 仍充满神秘的暗物质概念 提供新见解。
与此同时，科学家们在全新的“核钟”方面也取得了进展，这些核钟可能会让光学钟看起来像古董。去年，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 表示，他们即将完成一个核钟原型，该原型专注于原子核而不是单个原子的振动。
“想象一下一块手表，即使你让它运行数十亿年也不会丢失一秒，”NIST 和 JILA 的物理学家 Jun Ye 在去年关于该原型的新闻发布后 说道。“虽然我们还没有完全达到那个水平，但这项研究使我们更接近那个精度水平。”
