“還有半小時發車！”你看著手機導航顯示的“預計到達時間”，信心滿滿地啃下最后一口煎餅果子。殊不知，此刻你已經陷入人類文明史上最經典的時空悖論——每個趕高鐵的人，都以為自己能成為時間的主人。

▲清明假期返程高峰沒有趕上高鐵的你

如果時鐘做得更準，我們就能更容易趕上火車嗎？事實上，GPS導航的工作原理，正是依賴于極其精密的原子鐘。當然，時鐘的重要性不止于此。在日常生活之外，時鐘作為一種科學的工具，在引力波探測、暗物質探測和大地測量學中都有著重要的應用。

1秒鐘到底有多久？

1秒鐘到底有多久？科學上秒的精度應當如何定義？從古至今，科學家們一直致力于找到更準的時鐘，而原子鐘的出現給這個問題帶來了更精確的可能。

原子鐘（Atomic clock）是一種以原子共振頻率標準來計算及保持時間準確的時鐘。原子鐘依賴于原子中電子云的能級躍遷。通過特定頻率的微波或激光使電子躍遷到更高的能量狀態。這些利用電子躍遷來穩定激光或微波的振蕩頻率，從而提供提供鐘表的“滴答”（時間脈沖）——每秒達數十億甚至數萬億次。

▲鍶原子在1S0和3P0狀態之間的躍遷作為光晶格鐘的參考。當光信號與躍遷共振時，其頻率可以被非常精確地界定。

20世紀50年代，世界上第一個精確的原子鐘由美國國家物理實驗室的埃森（Louis Essen）和帕里（Jack Parry）合作建造完成。雖然這個鐘需要一個房間的設備，實用性不強，但原子鐘的出現，標志著科學家在超高精度時間測量的能力方面實現了重大突破。

▲Louis Essen（右）、Jack Parry（左）共同建成的世界第一臺銫-133原子鐘。

1967年，第13屆國際計量大會將1秒定義為：無干擾情況下 133Cs（銫）原子基態的兩個超精細能級之間躍遷對應的輻射持續振蕩 9192631770 個周期的時間。

▲NIST-F1銫噴泉原子鐘，是美國時間和頻率標準，其不確定度約為3×10-16（2013年）。

如今，原子鐘仍是目前最精確的計時設備，即使從宇宙大爆炸之初就開始計時，到現在它的誤差也不會超過一秒鐘。

世界上最精準的鐘有多準？

隨著科學家對原子鐘的研究不斷深入，越來越精準的原子鐘不斷打破現有世界紀錄。

2024年1月12日，中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、陳宇翱、戴漢寧等組成的研究團隊，成功研制了萬秒穩定度和不確定度均優于5E-18的鍶原子光晶格鐘，成為當前國內綜合指標最好的光鐘系統（）。

傳統原子鐘依賴于原子中電子云的能級躍遷。核鐘則提供了改進的潛力，因為使原子核中的質子和中子躍遷到更高能級需要更高頻率的激光，讓時間測量更加精細。更重要的是，原子核對外部電場和磁場沒有電子那么敏感，使得核鐘本質上更穩定。

2024年9月4日，葉軍教授、張傳坤團隊在核鐘的突破性研究成果以題為“Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock”（）發表在Nature 上，并被選為當期封面。同一天，《科學》雜志官網刊出評論文章，并稱該成果“有望將超精密核鐘帶入新時代的突破”。

隨著人們“搬動”原子鐘的能力越來越強，各國都不約而同地提出了空間科學+原子鐘的計劃。在遠離地球引力的宏大外太空，原子鐘的性能有望更好，結合高精度時間頻率傳遞技術，可以建立更穩定、更精確的空間時頻體系，不僅在全球導航系統中存在重大戰略價值，也是驗證相對論、探測引力波、尋找暗物質等基礎科學問題的有力工具。

對于我國科學家來說，在空間進行原子鐘研究的部署也已經展開。我們可以期待，未來有一顆像“墨子號”那樣的實驗衛星，第一次搭載中國人自己研制的高性能光鐘，去探索有關宇宙時間和空間的秘密。

量子大亂斗！小墨喵大戰虎先鋒，制勝法寶竟是它？

396 億年誤差不到一秒：全世界最準原子鐘創造新紀錄