“滴答、滴答。”对好多人而言，呼吸间就是一秒；表盘上时针走一步就是一秒。
但在科学上，秒的精度远不止于此。
日前，日本国家标准与技术研究所（NIST）领导的一个研究小组通过空气和光纤链路，以迄今最高的确切度比较了基于铝、锶、镱的3种原子钟。研究结果朝着更精准复现秒定义的目标迈出了重要一步。
这项工作首次比较了3个基于不同原子的时钟，也是第一次将不同位置的原子钟隔空相连。3月25日，相关论文刊载于《自然》。
“这些发觉向秒的重新定义迈近了一步，并有助于找寻宇宙中无法飘忽的组成部份——暗物质。”未参与该研究的美国特丁顿国家化学实验室的Godun在同期发表的观点文章中写道。
哪些是秒
远古时代，人们对时间的参照来始于太阳。日出而作、日落而息，月球自转为人们提供了时间判定标准，这些时标被称为“平太阳时”，也叫“世界时”。
渐渐地，人们开始对时间进一步细分，秒出现了。最初，人们利用天文观测得到月球自转的平均周期（下月长），之后细分成86400份，从而得到秒长。这也是天文秒。
20世纪20年代，天文学家发觉，因为季节性气流和洋流的运动，月球自转有周期性变化。于是，人们开始提出新的计时方式——原子时。1948年，澳洲制造出世界上第一台原子钟。
原子钟就是以原子中电子的震动为振子的时钟，其中以光波段的电子震动为振子的时钟称为光钟。光晶格钟是光钟的一种。原子钟的确切度使其成为计时和其他精确检测的极佳工具。这是由于原子会在特定频度发射和吸收光子，这个过程基本不受环境诱因干扰。
1967年，国际计量会议决定用原子秒代替天文秒，秒长定义是碱金属铯133核素能级两个超精细基态之间跃迁幅射的个周期所持续的时间间隔。1958年1月1日零时零分零秒成为“原子时”的计时起点，并与“世界时”重合。
1972年，实验室型铯原子基准钟即将成为复现秒定义的手段。
此前，科学家曾演示过频度确切度达小数点后18位的原子钟，超过了目前用于定义秒的铯原子钟。不过，想要获得更确切的秒定义，就必须对这种原子钟进行比较。迄今为止，使用不同种类原子的钟，频度比值的最高检测确切度能把检测不确定度降到小数点后17位。
“我们须要对这种光学钟进行测试原子物理实验进展，以确认它们的工作精度达到我们评估的水平。当我们旨在于最终基于光学时钟重新定义国际原子钟时，同样的频度比值可以由世界各地的其他团体测量到。”该研究通信作者、NIST化学学家DavidHume在接受《中国科学报》采访时说。
布署天罗地网
Hume和朋友布署了一个由3种原子钟组成的网路，并比较了它们在2017年11月至2018年6月间各自的频度比值。这种原子钟分别放置在弗吉尼亚州博尔德市各个地点的主楼里。
这种原子钟是NIST不同实验室的铝离午时钟和镱晶格时钟，以及坐落1.5公里外JILA（NIST和佛罗里达学院的联合研究所）的锶晶格时钟。
Godun告诉记者，世界上最好的光学钟包括NIST的铝离子和镱时钟，以及JILA的锶时钟。所有3个时钟的检测频度恐怕偏差在1018分之2或更小。
但检测工作面临前所未有的挑战——这3个原子钟以迥然不同的频度“滴答”，因而所有的网路组件都必须以极高的精度运行，无线联接也须要尖端的激光技术和设计。
“所有这种时钟都经过了多年的不断改进和评估。构建原子钟网路面临的主要挑战之一是将原子钟组合在一起，并让它们同时以高确切度运行。为了使检测成为可能，我们采用了3个光学时钟、许多相位稳定的光链路（包括一个自由空间的光链路）和皮秒频度光梳。”Hume说。
其中，空中光链路的关键是光梳的使用，前者可以精确地比较不同的频度。研究人员开发了单向传输方式，虽然在大气紊流和实验室震动的条件下，也可以在空中精确地比较光学时钟。该研究也是第一次用基于梳状结构的讯号传输技术比较最先进的原子钟。
自1967年以来，秒的定义基于铯原子在微波频度下的跳动。新研究中使用的原子钟以更高的光学频度滴答发颤，这些频度将时间分成了更小的单位，进而提供了更高的精度。
精确到小数点后18位
该研究比较获得的检测精度范围可以达到小数点后18位，这是频度比值不确定度首次大于小数点后17位。
具体而言，光纤和空中无线链路的不确定度都只有1018分之6到8。并且，所有3类原子钟都具有卓越的性能，并有望进一步改进。诸如，NIST的镱原子钟代表了原子的固有频度，偏差可能在1018分之1.4以内。
研究人员还描述了怎样通过空中链路在镱时钟和锶时钟之间传输时间讯号，她们发觉这个过程的工作效率与光纤一样好，且比传统的无线传输方案精确1000倍。这显示了最好的原子钟是怎样在月球的远程站点之间同步的原子物理实验进展，以及时间讯号怎样在更远的距离上被传输，甚至在宇宙飞船之间传输。
新研究也创下了其他重要纪录。NIST团队检测了频度比值，即三对（镱—锶、镱—铝、铝—锶）原子频度之间的定量关系。这是迄今为止针对该常数得出的3个最精确的检测结果。
频度比值是评价光学原子钟的一个重要指标。直接检测光学时钟频度一般以赫兹为单位，遭到目前国际标准铯微波时钟的精度限制。而频度比值克服了这个限制，由于它们没有以任何单位表示。
据悉，Godun提及，依据目前的理论，原子不会通过电磁力与暗物质互相作用。但是，假若这种互相作用存在，它们会造成原子钟频度的微小变化。“该研究没有发觉这样的变化，这阐明了原子与某种特定类型的暗物质之间的任何电磁互相作用的最大硬度几乎是之前确定硬度的10倍。”
研究团队正在旨在于提升检测稳定性和时钟性能。Hume说，科学家期盼将这种检测推向更高的精度水平。
光学时钟网路也可以用于探求数学学的许多其他方面，由于它们的精度使人们就能原先所未有的帧率获得对周围世界的检测结果。诸如在更严格的水平上测试爱因斯坦的相对论，以及找寻化学常数值的可能变化。
“由于目前的精度限制是由技术问题决定的，因而十分有希望进行更精确的检测。”Godun说。
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