光明日报记者 陈海波

  逝者如斯夫,不舍昼夜。对于两千多年前的古人来说,时间就是昼夜交替。对于今天的科学家而言,时间是原子的“跳动”。

  在中国计量科学研究院,有一种特殊的计时设备——锶原子光晶格钟。它以锶原子的跃迁频率作为时间计量标准。而且,可以把时间测量的准确度提高到35亿年不差一秒。

  时间这么精确有什么用?大有用处!而且,科技越发展,用处越大!

  就拿已深入每个人生活的全球卫星导航系统来说,精密时间测量发挥了重要作用。导航系统需要多颗导航卫星组网运行,每颗卫星上都放置有特殊的高准确度的钟,将时间发送到地面。科研人员根据接收到不同卫星信号的时间差和坐标,计算出地面的具体位置。在这个过程中,时间越精确,时间差的测量误差就越小,定位的准度就越高。

  中国计量院时间频率研究所所长房芳告诉记者,高精度的时间测量还在5G通信、航天发射和测控、智慧城市等领域有着不可替代的作用。

  不过,要实现高精度的时间测量,并不容易。在很长的历史里,人类计时一直用的是天文秒。就是将地球自转的周期等分为86400份,据此得到秒长。天文秒取决于地球运动的周期,会随地球运动速率的变化而变化,不够稳定,这自然也会影响其准确度。

  随着量子物理的发展,科学家发现某些量子现象的稳定性远远优于天文现象,非常适合作为时间频率基准,于是提出原子秒,并将其定义到铯-133原子跃迁频率上,即铯-133原子振荡91亿9263万1770次为1秒。中国计量院研制的铯原子喷泉钟,准确度达到6000万年不差一秒。

  铯原子喷泉钟属于微波钟,它采用的是原子跃迁吸收微波波段的频率。“而锶原子光晶格钟的光学频率比微波频率更稳定,稳定度提高后,准确度也相应会提高,因此其准确度可以高几个量级。”房芳解释,这种基于光学频率的原子钟又被称为光钟。

  中国计量院从2005年开始自主研制锶原子光晶格钟,并不断改进,相对频率准确度目前可达到10-18秒,相当于35亿年不差一秒,未来还可能提高到上百亿年不差一秒。

  目前,科学界正在探讨未来进一步修改秒的定义的方案,使时间测量更精准。锶原子光晶格钟等光钟,频率更稳定,测量的结果也更准确,为进一步修改秒定义提供了现实可能性。

  当然,光钟更加直接的作用,是作为时间频率计量的基准。钟表走得快了还是慢了,必须有一个最终的参照,光钟就承担这样的角色。

  光钟还可以用来探测引力波。引力波出现时会改变引力势,而引力势会改变光钟的频率。光钟的准度越高,越有利于探测引力波。此外,光钟在验证相对论、检验物理常数变化、发现暗物质等前沿物理领域都可以发挥重要作用。

  逝者如斯夫,我们的科研人员正在为实现更精准的时间测量而不舍昼夜地工作着。