◎?qū)嵙?xí)記者 蘇菁菁

你有沒有想過，1秒是多久？

  是時(shí)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(shí)間？這一問題看似容易，其實(shí)并不簡單。為了更精確地定義秒，全世界的科學(xué)家已經(jīng)努力了多年。

  近日，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心（以下簡稱國家授時(shí)中心）的鍶原子光晶格鐘的相關(guān)研究取得了重要進(jìn)展。國家授時(shí)中心研制出了鍶光鐘，并通過守時(shí)氫鐘溯源至國際原子時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)行時(shí)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(jì)量學(xué)》。

重新定義“1秒”：從天文秒到原子秒

  我們可以通過運(yùn)動(dòng)來計(jì)量時(shí)間，有規(guī)律的、能夠重復(fù)的周期現(xiàn)象是人們計(jì)量時(shí)間的重要工具。

  曾經(jīng)，我們依賴觀測天體運(yùn)動(dòng)定義秒。科學(xué)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(yùn)動(dòng)來定義秒，從而有了我們熟知的一年大約365日，1日24小時(shí)，每小時(shí)60分鐘，每分鐘60秒，總計(jì)一天86400秒。

  但由于地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度并不均勻，于是，科學(xué)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)，微觀量子世界的一些參數(shù)比天體運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。1967年，國際單位制以銫-133原子的能級(jí)躍遷為基礎(chǔ)，重新定義了秒，也即原子秒。”中國計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡稱中國計(jì)量院）研究員林弋戈說。

  林弋戈告訴記者，原子的能級(jí)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(shí)間的計(jì)量基準(zhǔn)，從而建立原子鐘。

  終于，1967年，第十三屆國際計(jì)量大會(huì)（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(xì)能級(jí)躍遷對應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間定為1秒。也就是說，將銫-133原子發(fā)出的輻射振動(dòng)9192631770次所持續(xù)的時(shí)間定為1秒。

鍶光鐘數(shù)據(jù)獲得國際認(rèn)可

  國家授時(shí)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(shí)間頻率基準(zhǔn)的原子鐘就是微波鐘，而以原子的光學(xué)波段共振頻率作為時(shí)間頻率基準(zhǔn)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(gè)數(shù)量級(jí)，因此光鐘可以達(dá)到比微波鐘更高的精度。

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

  這一步驟完成后，國家授時(shí)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(bào)給國際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)頻率標(biāo)準(zhǔn)工作組，成為鍶光鐘頻率國際推薦值計(jì)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(jìn)行頻率測量，來確保未來時(shí)間單位秒基于光鐘重新定義時(shí)，量值保持連續(xù)。此次發(fā)表于《計(jì)量學(xué)》上的成果，代表著國際上認(rèn)可了我們的鍶光鐘的評(píng)估和測量數(shù)據(jù)。”常宏說。

  這一成果的***作者、國家授時(shí)中心盧曉同博士告訴記者，完成現(xiàn)行時(shí)間單位秒定義下的鍶光鐘***頻率測量，主要包括兩個(gè)方面的技術(shù)探索。***是鍶光鐘的實(shí)現(xiàn)，第二是如何將鍶光鐘輸出的光頻信號(hào)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(píng)估與認(rèn)可’，國家授時(shí)中心一共花了15年。”“光鐘的研制對于國家授時(shí)中心而言是全新的領(lǐng)域，需要非常多的專業(yè)知識(shí)，例如原子物理、激光技術(shù)、電子線路等，這些都需要知識(shí)的積累與時(shí)間的沉淀。”常宏說。常宏告訴記者，從2008年到2017年，國家授時(shí)中心的鍶光鐘制作完成，這臺(tái)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(zhǔn)”頻率的研究始于2017年，近日，這臺(tái)光鐘實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)行時(shí)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(rèn)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(dá)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(jì)量院、國家授時(shí)中心、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、華東師范大學(xué)。”常宏說。其中，中國計(jì)量院和國家授時(shí)中心都獨(dú)立完成了光鐘頻率通過國際原子時(shí)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(tuán)隊(duì)和日本東京大學(xué)的香取秀俊研究組，我們的研究和這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還有差距。但我們與法國的巴黎天文臺(tái)、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的差距正在縮小，甚至在某些方面實(shí)現(xiàn)了超越。”常宏說。

秒定義關(guān)乎基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展

  目前，國內(nèi)多家單位都在進(jìn)行光鐘的研制與***頻率測量，有些團(tuán)隊(duì)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(gè)共識(shí)，其中一個(gè)重要的原因就是這些光鐘的表現(xiàn)都不錯(cuò)，不存在某一種原子光鐘性能明顯強(qiáng)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(jìn)行未來的秒定義。”林弋戈說，“前兩年，國際上提出了一個(gè)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(jì)量院的鍶原子光鐘、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的鈣離子光鐘和華東師范大學(xué)的鐿原子光鐘的頻率測量結(jié)果已經(jīng)被國際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)頻率標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算。

  那么，為什么我們要積極研制光鐘，實(shí)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(zhǔn)確的導(dǎo)航服務(wù)。每當(dāng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的安全運(yùn)行都依靠高精度的時(shí)間頻率計(jì)量。

  此外，精確地定義秒還關(guān)乎基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。“目前包括物理學(xué)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(xué)上或技術(shù)上其他的突破來帶動(dòng)。時(shí)間頻率目前是人類能夠測量的最準(zhǔn)確的物理量，可以說時(shí)間頻率測量能力的提升，將會(huì)帶動(dòng)多個(gè)研究領(lǐng)域的進(jìn)步。”林弋戈說。

  例如，秒的精確定義和測量可以幫助科學(xué)家更深入地研究宇宙中的暗物質(zhì)，了解發(fā)生在遙遠(yuǎn)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(yuǎn)。”常宏說。

  2022年，第二十七屆國際計(jì)量大會(huì)通過“關(guān)于秒的未來重新定義”的決議——利用光鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間單位秒的重新定義。該決議計(jì)劃在2026年國際計(jì)量大會(huì)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(jì)量大會(huì)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(shí)間單位秒定義變更時(shí)確保我國有更多的話語權(quán)，維護(hù)國家權(quán)益。”常宏說。“我國一直在進(jìn)行光鐘的研究，是為了能夠在秒定義的過程中作出貢獻(xiàn)，推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展，并且在未來獨(dú)立自主地復(fù)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的準(zhǔn)確、穩(wěn)定。”林弋戈說。