一个高大的摆钟每月会慢或快大约一分钟，而数字手表中的石英晶体则在几秒钟内保持准确。但在计时技术的尖端，科学家们正在微调钟表，使其在数十亿年的时间里误差不超过一秒。
虽然改进一个已经如此精确的时钟似乎微不足道，但这对科学的几个领域至关重要。更精确的时钟可以微调研究人员测量相对论和暗物质的能力。它们还有助于 大地测量学，即测量地球本身的科学，使我们能够精确到厘米地绘制出地球的重力、地表和海底。由于 GPS 等系统依赖于计时信号，它们可以解锁新一代的导航技术。
这在一定程度上是因为制造越来越精确的时钟使科学家能够更好地定义我们的基本时间单位——秒。尽管大多数标准的 SI 单位 在 2019 年被重新定义，但秒并不在其中。事实上，秒的定义自 1967 年以来一直没有改变。
但现在，科罗拉多州博尔德市数十名研究人员，在博尔德原子钟光网络 (BACON) 的合作下，已经成功连接了世界上最精确的三座时钟，这是创造新定义的一个关键步骤。通过连接不同的时钟，研究人员可以确保它们都可靠地计时。
一旦做到这一点，就为这种更精确的新型时钟重新定义秒铺平了道路。BACON 的测量结果，最近发表在《自然》杂志上，比地球官方计时员今天使用的超精确原子钟还要精确 100 倍。
今天，我们 将秒定义为 基于原子——在大多数情况下是铯-133。具体来说，我们观察当电子改变能级时吸收和发射的光子的频率，在铯-133 原子中是微波。你可以利用这些微波的周期（波峰之间的时间）来计时。也就是说，正好 9,192,631,770 个这样的周期构成一秒。
这听起来很了不起，事实也确实如此——但这已经是冷战时期的技术了。BACON 和其他项目正在尝试一种更先进的原子钟类型，称为光学钟，它依赖于光。由于光的频率比微波高，因此周期更短，你可以利用光获得更精确的计时。
最新的铯原子钟的精度在十亿分之一秒的百万分之一以内。为了证明光学钟确实是未来，科学家们需要它们比之前的铯微波原子钟精确 100 倍——这是他们在这项新研究中达到的基准。
但他们还需要世界各地不同的计时器就时间达成一致，尤其是因为并非所有光学钟都使用相同的原子。这并不容易。时钟本身运行方式不同，相对论效应也显现出来。由于地球引力引起的细微时间膨胀，不同高度的原子钟 滴答的速度不同。
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科罗拉多州博尔德是连接光学钟的理想之地，因为这里有三座光学钟——两座在 NIST 实验室，第三座在科罗拉多大学博尔德分校的 JILA 实验室，距离约 0.9 英里（1.5 公里）。这三座时钟都使用不同的原子：JILA 的锶-87，NIST 的铝-27 离子和镱-171。
两地之间已经有一条连接。科罗拉多大学博尔德分校和 NIST 的研究员 Holly Leopardi 说：“我们很幸运，有一根光纤电缆actually穿过博尔德市，连接了 JILA 的时钟和 NIST 的时钟。”这是一种连接科学家所需精度的光学钟的成熟方法；例如，研究人员 已经建立了 一个光纤网络，连接欧洲各地的时钟。
NIST 的研究员 David Hume 说：“但你总会担心，可能……有一些你不知道的问题，或者类似的情况。所以我们希望在这个网络中尽可能多地实现冗余。”
考虑到这一点，研究人员创建了第二条地面连接。他们建造了一个系统，将激光脉冲从 NIST 大楼的顶部发射到大学校园里 11 层高的 Gamow Tower 的顶部。
BACON 研究人员随后有了两种测量时钟频率比例的方法，使他们能够验证时钟和连接的可靠性。这两个数字确实都符合他们想要的超高精度。
Hume 说：“有一天我们没有重叠的测量，因为那是一场暴风雪。我们无法将激光穿过雪，也无法在另一端获得足够的信号。”
当你试图精确到每秒数十亿亿次的滴答声时，即使是信号在电缆中的损失和大气中的湍流等极其微小的因素也会干扰你的脉冲。研究人员不得不反复检查他们的连接和测量系统是否增加了误差。
Leopardi 说：“自由空间系统最酷的地方在于，它能够测量大气中的所有噪声和湍流，我们能够对其进行校正。”
科学家们最终希望利用这项技术创建一个全球网络，例如将美国的时钟与欧洲或东亚的对应时钟连接起来。我们现在还不能做到这一点——长距离的误差太大——但科学家们希望很快就能建立一个卫星网络，利用 BACON 的自由空间连接工作。
Leopardi 说：“我认为我们能够 all 合作并齐聚一堂来实际执行这项测量并共同努力获得这些结果，这一点非常了不起。”
