20亿年“不差秒”

几天前，根据媒体报道，科学家已经开发出新一代激光时钟，它在20亿年内几乎不会产生一秒钟的误差。光学时钟在未来的卫星导航中可以得到广泛的应用，当跟踪地面上的运动目标时，其精度可以保持在1米以内，从而使汽车或飞机的自动驾驶成为可能。

在取得上述成就后，来自美国、英国、德国、法国、日本等国家的科学家也准备继续在这一研究领域竞争，以便能够设计和制造更精确的时钟。他们的目标是保持时钟精确到137亿年前大爆炸以来的每分每秒。

朋友，你的表准吗？

一只普通的手表，如果它再保持同步，每月会有大约15秒的误差。你能想象一个误差在20亿年内不到1秒的钟吗？

据《泰晤士报》报道，科学家现在已经开发出新一代激光时钟，这种时钟非常精确，误差在20亿年内不到1秒。可以说，这种时钟的使用，仅仅是卫星导航的应用，就足以“打雷”许多人。科学家预测，有了这种时钟，卫星导航器可以在1米内定位地面目标，因此汽车或飞机完全不可能无人驾驶。

什么是激光钟？怎么会这么准确？生活中有哪些应用？为了揭开激光钟的神秘面纱，记者走访了中国计量科学研究院光频标准研究室研究员方，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室毕志毅教授。

新突破

由光波转换频率定义的时间/频率标准

方告诉记者，激光钟，也叫光学钟，是一种时间/频率标准，由原子在光波波段的跃迁来定义。

以时间的基本单位“秒”的定义为例，1秒有多长？在20世纪50年代，1秒被定义为平均太阳日的1/86400。然而，由于一年中的太阳日并不完全相同，在1956年，国际上对秒的定义是1900年1月1日12点地球开始围绕太阳旋转的时间的1/31569.9747。

随着量子物理的发展，科学家们发现微观量子态的跃迁有一个稳定的周期。例如，铯原子133的跃迁频率是每秒9.19×109个周期。因此，原子可以用作节拍器来保持高度精确的时间。1967年，“秒”被重新定义为9.19×109倍的辐射周期，对应于铯原子133同位素基态的两个超精细能级之间的跃迁。这一标准一直沿用到现在。由于原子跃迁频率在微波波段，利用微波跃迁频率建立的时间/频率标准也被称为“微波时钟”，也就是说，我们目前对秒的定义也是基于跃迁的“微波时钟”。

由于光学频率比微波频率高4-5个数量级，在相同的其他因素下，光学频率标准的精度和稳定性比微波频率标准好得多。因此，科学家们一直期待着利用光波的跃迁频率来建立一个时间零点频率标准，或“光钟”

解读“精确”

工作频率比原子钟高4到5个数量级。

1999年，飞秒激光频率梳的突破性发展为光学时钟提供了一个很好的“光学齿轮”，可以将光学频率的精度精确地传递到微波波段，从而实现记录和显示，这是建立光学时钟的重要一步。

2001年，科学家第一次利用原子和飞秒激光频率梳完成了第一个“光学时钟”实验。在短短的几年里，光学时钟的精度在几何方面得到了提高。据报道，科学家几天前开发的新光学时钟在20亿年内有一秒钟的误差。在此之前，世界上最先进的光学时钟是由美国国家标准和技术研究所开发的。通过测量汞离子中电子的振动频率，它可以在17亿年内保持精确的运行，分钟和秒钟没有任何差别。它怎么会比光学时钟还精确呢？这从光钟的基本组成开始。毕志毅告诉记者，像所有时钟一样，光学时钟有两个基本组成部分:振荡器和计数器。原子钟的振动频率取决于相应原子能级的特性。原子钟的稳定性和精确度与跃迁谱线宽度△ ν和跃迁频率ν(即△ν1ν)有关。因此，在相同谱线宽度△ ν的情况下，光学频率比微波频率高4-5个数量级，原子光学时钟的精度将大大提高，明显优于原子微波时钟。

“一秒钟”的含义

飞机和汽车期待无人驾驶

无论是20亿年中的一秒钟内，还是8000万年中的一秒钟内，对于普通人的生活来说，差别似乎并不大，科学家的努力似乎是徒劳的。

不完全是。毕志毅说，科学家们普遍认为，光学时钟将对卫星导航、空间科学、通信和计算机网络上的同步传输等产生重大影响。这需要高时间精度。

以全球卫星定位系统为例。其全球卫星定位系统接收卫星发射的微波信号，主要是通过测量信号的到达时间。如果全球卫星定位系统配备了“光钟”，地面上的物体可以锁定在一个较小的范围内。这样，它将在自动驾驶和精确导航中发挥重要作用。

至于安装这种光钟，飞机和汽车可以无人驾驶吗？方告诉记者，这只是实现无人驾驶飞机或汽车的一个必要条件。飞机或汽车能否实现无人驾驶还受到许多其他因素的影响。

它可以帮助测试物理学的基本理论。

除了上述应用之外，科学家们说，光钟的更大意义在于它对科学探索的贡献。

众所周知，时间/频率标准的研究在科学探索中起着重要作用。自20世纪40年代以来，近10项诺贝尔奖授予了对时间/频率标准研究做出重要贡献的科学家。2005年，约翰·霍尔和西奥多·汉斯因在精密激光光谱学和光频梳技术研究方面的重要贡献获得2005年诺贝尔物理学奖。正是他们的工作为光学时钟的实现奠定了基础。

毕志毅表示，有了像光学时钟这样高精度的时间/频率标准，国际单位的国际单位制将进一步完善。科学家可以更精确地测量物理常数，探索物理常数是否随时间变化，并验证基本的物理理论。

美国标准和国家标准技术研究所的物理学家蒂尔·罗森邦德也认为光学时钟可以用来探测宇宙的基本属性。我们可以依靠它来发现物理学领域中基本定律的变化。

光钟代表时钟的未来

据报道，美国、英国、德国、法国、日本等国家的科学家在研制出误差不到1秒的20亿年激光时钟后，也准备继续在这一研究领域竞争，以便能够设计和制造更精确的时钟。他们的目标是保持自137亿年前大爆炸以来的每分钟都准确无误。科学家相信这个时钟有可能在十年内实现。

法国巴黎的国际计量委员会计划到2020年用光学时钟取代原子钟。负责时间和频率的执行秘书伊莉斯·阿里亚斯说:“光学时钟代表着时钟的未来。这是一项非常令人兴奋的发明。到2015年，我们将取得阶段性成果。”

对此，毕志毅表示，光学时钟是一种精度极高的精密仪器。它的结构非常复杂，集成了许多高科技技术。它仍处于实验室研究阶段。为了实现长期可靠的运行，科学家们仍然需要做大量艰苦细致的研究工作。在此基础上，需要对不同国家和不同实验室研制的光学时钟进行严格的频率比较，以证明它们能够给出一个统一的时间标准，并为建立“秒”的新定义提供科学依据。

对于光钟将在2020年取代微波原子钟的说法，毕志毅认为光钟和微波原子钟各有特点，光钟完全取代微波原子钟是不现实的。当被问及目前国内对光钟的研究进展时，毕志毅和方都表示，我国对光钟的研究起步较晚。2001年，美国完成了第一个光学时钟实验，而我国光学时钟研究的真正开始只是几年前。目前，我们仍在从事光学时钟建立之前的基础研究工作。

幸运的是，光学时钟研究的重要性已经引起了国家和各级的重视，一批中青年科学家也积极参与其中。他们在光学时钟关键部件的研究上取得了许多可喜的成果。