◎?qū)嵙曈浾?蘇菁菁

你有沒有想過，1秒是多久？

  是時鐘的一次嘀嗒聲，人們的一次眨眼，還是數(shù)到“1”的所用的時間？這一問題看似容易，其實并不簡單。為了更精確地定義秒，全世界的科學家已經(jīng)努力了多年。

  近日，中國科學院國家授時中心（以下簡稱國家授時中心）的鍶原子光晶格鐘的相關(guān)研究取得了重要進展。國家授時中心研制出了鍶光鐘，并通過守時氫鐘溯源至國際原子時，實現(xiàn)了在現(xiàn)行時間單位秒定義下的鍶光鐘***頻率測量，相關(guān)研究成果發(fā)表于《計量學》。

重新定義“1秒”：從天文秒到原子秒

  我們可以通過運動來計量時間，有規(guī)律的、能夠重復的周期現(xiàn)象是人們計量時間的重要工具。

  曾經(jīng)，我們依賴觀測天體運動定義秒。科學家們發(fā)現(xiàn)，日月輪換、晝夜交替具有規(guī)律性，因此便以地球的周期運動來定義秒，從而有了我們熟知的一年大約365日，1日24小時，每小時60分鐘，每分鐘60秒，總計一天86400秒。

  但由于地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)的運動速度并不均勻，于是，科學家們將目光轉(zhuǎn)到了微觀層面，尋找更精確穩(wěn)定的周期來確定一秒有多長。

  “科學家們發(fā)現(xiàn)，微觀量子世界的一些參數(shù)比天體運動更加穩(wěn)定。1967年，國際單位制以銫-133原子的能級躍遷為基礎(chǔ)，重新定義了秒，也即原子秒。”中國計量科學研究院（以下簡稱中國計量院）研究員林弋戈說。

  林弋戈告訴記者，原子的能級躍遷就是指原子從一種能量狀態(tài)到另一種能量狀態(tài)。在這一過程中，原子發(fā)射出的電磁波頻率非常穩(wěn)定，因此可以采用某些原子的躍遷頻率作為時間的計量基準，從而建立原子鐘。

  終于，1967年，第十三屆國際計量大會（CGPM）決定，將秒的定義從天文秒改為原子秒，將銫-133原子無干擾的基態(tài)超精細能級躍遷對應(yīng)輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間定為1秒。也就是說，將銫-133原子發(fā)出的輻射振動9192631770次所持續(xù)的時間定為1秒。

鍶光鐘數(shù)據(jù)獲得國際認可

  國家授時中心研究員常宏告訴記者，根據(jù)輸出頻率的范圍不同，原子鐘可以分為微波鐘與光鐘。

以原子的微波波段共振頻率作為時間頻率基準的原子鐘就是微波鐘，而以原子的光學波段共振頻率作為時間頻率基準的原子鐘則被稱為光鐘。

  據(jù)了解，光鐘的工作頻段比微波鐘的工作頻段高4到5個數(shù)量級，因此光鐘可以達到比微波鐘更高的精度。

  近日，國家授時中心完成了對其研制的鍶原子光鐘性能的評估確認，并在現(xiàn)行時間單位秒定義下對鍶原子光鐘的***頻率進行了測量。

  這一步驟完成后，國家授時中心鍶原子光鐘的相關(guān)數(shù)據(jù)將作為重要的參考值上報給國際時間頻率咨詢委員會頻率標準工作組，成為鍶光鐘頻率國際推薦值計算所需要的源數(shù)據(jù)。“在我們的鍶原子光鐘研制完成后，需要將其數(shù)據(jù)納入現(xiàn)行秒定義框架之下進行頻率測量，來確保未來時間單位秒基于光鐘重新定義時，量值保持連續(xù)。此次發(fā)表于《計量學》上的成果，代表著國際上認可了我們的鍶光鐘的評估和測量數(shù)據(jù)。”常宏說。

  這一成果的***作者、國家授時中心盧曉同博士告訴記者，完成現(xiàn)行時間單位秒定義下的鍶光鐘***頻率測量，主要包括兩個方面的技術(shù)探索。***是鍶光鐘的實現(xiàn)，第二是如何將鍶光鐘輸出的光頻信號溯源至現(xiàn)行秒定義。“研究的過程比較艱辛。”常宏說，“從研制鍶光鐘，到完成‘評估與認可’，國家授時中心一共花了15年。”“光鐘的研制對于國家授時中心而言是全新的領(lǐng)域，需要非常多的專業(yè)知識，例如原子物理、激光技術(shù)、電子線路等，這些都需要知識的積累與時間的沉淀。”常宏說。常宏告訴記者，從2008年到2017年，國家授時中心的鍶光鐘制作完成，這臺鐘終于“走了起來”，但是“走起來”后，人們還需要知道光鐘的頻率值具體是多少。“校準”頻率的研究始于2017年，近日，這臺光鐘實現(xiàn)了現(xiàn)行時間單位秒定義下的鍶光鐘***頻率測量，數(shù)據(jù)獲得了國際認可。

  據(jù)了解，能夠成功研制光晶格鐘的國家并不多，其中多數(shù)是發(fā)達國家。“現(xiàn)在，國內(nèi)完成光晶格原子鐘研制的共4家，分別是中國計量院、國家授時中心、中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院、華東師范大學。”常宏說。其中，中國計量院和國家授時中心都獨立完成了光鐘頻率通過國際原子時溯源到現(xiàn)行秒定義的工作。

  “目前，鍶光鐘研究最為***的是美國葉軍團隊和日本東京大學的香取秀俊研究組，我們的研究和這兩個團隊還有差距。但我們與法國的巴黎天文臺、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院、英國國家物理實驗室的差距正在縮小，甚至在某些方面實現(xiàn)了超越。”常宏說。

秒定義關(guān)乎基礎(chǔ)科學發(fā)展

  目前，國內(nèi)多家單位都在進行光鐘的研制與***頻率測量，有些團隊研制鍶原子光鐘，有些則研制鈣離子光鐘、鐿原子光鐘。“現(xiàn)在，在如何重新定義秒的問題上，國際上還沒有一個共識，其中一個重要的原因就是這些光鐘的表現(xiàn)都不錯，不存在某一種原子光鐘性能明顯強于另一種的情況。所以，目前國際上還沒有選定要用哪種光鐘來進行未來的秒定義。”林弋戈說，“前兩年，國際上提出了一個定義秒的新想法，是使用多種原子鐘的加權(quán)平均值作為新的秒定義。所以國內(nèi)做多種光鐘是非常有意義的。”

  目前，中國計量院的鍶原子光鐘、中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院的鈣離子光鐘和華東師范大學的鐿原子光鐘的頻率測量結(jié)果已經(jīng)被國際時間頻率咨詢委員會頻率標準工作組接受，這三所單位的測量數(shù)據(jù)參與了這幾種光鐘頻率國際推薦值的計算。

  那么，為什么我們要積極研制光鐘，實現(xiàn)更精確的秒定義呢？

  對于人們的日常生活而言，秒的精確定義將讓人們享受更準確的導航服務(wù)。每當我們打開地圖、“搖一搖”尋找身邊的人，精確的秒定義都在發(fā)揮著作用。此外，交通、金融、電網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、移動通信等領(lǐng)域的安全運行都依靠高精度的時間頻率計量。

  此外，精確地定義秒還關(guān)乎基礎(chǔ)科學的發(fā)展。“目前包括物理學研究在內(nèi)的很多領(lǐng)域都亟待突破。而突破的發(fā)生，需要科學上或技術(shù)上其他的突破來帶動。時間頻率目前是人類能夠測量的最準確的物理量，可以說時間頻率測量能力的提升，將會帶動多個研究領(lǐng)域的進步。”林弋戈說。

  例如，秒的精確定義和測量可以幫助科學家更深入地研究宇宙中的暗物質(zhì)，了解發(fā)生在遙遠太空中的由更小的天體并合所產(chǎn)生的極微弱的引力波等。

“參與到國際秒定義變更中，對國家而言也意義深遠。”常宏說。

  2022年，第二十七屆國際計量大會通過“關(guān)于秒的未來重新定義”的決議——利用光鐘實現(xiàn)時間單位秒的重新定義。該決議計劃在2026年國際計量大會上提出關(guān)于秒的重新定義的建議，并在2030年第二十九屆國際計量大會上做出最終決定。

  “我國需要讓更多自己研制的光鐘參與到這一工作中，在未來時間單位秒定義變更時確保我國有更多的話語權(quán)，維護國家權(quán)益。”常宏說。“我國一直在進行光鐘的研究，是為了能夠在秒定義的過程中作出貢獻，推動科學的發(fā)展，并且在未來獨立自主地復現(xiàn)秒定義，這一工作不僅體現(xiàn)了我國較高的科研水平，還能夠長期、自主地保持中國標準時間的準確、穩(wěn)定。”林弋戈說。