▲清明假期返程高峰没有赶上高铁的你
如果时钟做得更准，我们就能更容易赶上火车吗？事实上，GPS导航的工作原理，正是依赖于极其精密的原子钟。当然，时钟的重要性不止于此。在日常生活之外，时钟作为一种科学的工具，在引力波探测、暗物质探测和大地测量学中都有着重要的应用。
1秒钟到底有多久？
1秒钟到底有多久？科学上秒的精度应当如何定义？从古至今，科学家们一直致力于找到更准的时钟，而原子钟的出现给这个问题带来了更精确的可能。
原子钟（Atomic clock）是一种以原子共振频率标准来计算及保持时间准确的时钟。原子钟依赖于原子中电子云的能级跃迁。通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能量状态。这些利用电子跃迁来稳定激光或微波的振荡频率，从而提供钟表的“滴答”（时间脉冲）——每秒达数十亿甚至数万亿次。
▲锶原子在1S0和3P0状态之间的跃迁作为光晶格钟的参考。当光信号与跃迁共振时，其频率可以被非常精确地界定。
20世纪50年代，世界上第一个精确的原子钟由美国国家物理实验室的埃森（Louis Essen）和帕里（Jack Parry）合作建造完成。虽然这个钟需要一个房间的设备，实用性不强，但原子钟的出现，标志着科学家在超高精度时间测量的能力方面实现了重大突破。
▲Louis Essen（右）、Jack Parry（左）共同建成的世界第一台铯-133原子钟。
▲NIST-F1铯喷泉原子钟，是美国时间和频率标准，其不确定度约为3×10-16（2013年）。
如今，原子钟仍是目前最精确的计时设备，即使从宇宙大爆炸之初就开始计时，到现在它的误差也不会超过一秒钟。
世界上最精准的钟有多准？
随着科学家对原子钟的研究不断深入，越来越精准的原子钟不断打破现有世界纪录。
2024年1月12日，中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陈宇翱、戴汉宁等组成的研究团队，成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5E-18的锶原子光晶格钟，成为当前国内综合指标最好的光钟系统（https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad1a4c）。
传统原子钟依赖于原子中电子云的能级跃迁。核钟则提供了改进的潜力，因为使原子核中的质子和中子跃迁到更高能级需要更高频率的激光，让时间测量更加精细。更重要的是，原子核对外部电场和磁场没有电子那么敏感，使得核钟本质上更稳定。
2024年9月4日，叶军教授、张传坤团队在核钟的突破性研究成果以题为 “Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock”（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6）发表在Nature 上，并被选为当期封面。同一天，《科学》杂志官网刊出评论文章，并称该成果“有望将超精密核钟带入新时代的突破”。
随着人们“搬动”原子钟的能力越来越强，各国都不约而同地提出了空间科学+原子钟的计划。在远离地球引力的宏大外太空，原子钟的性能有望更好，结合高精度时间频率传递技术，可以建立更稳定、更精确的空间时频体系，不仅在全球导航系统中存在重大战略价值，也是验证相对论、探测引力波、寻找暗物质等基础科学问题的有力工具。
对于我国科学家来说，在空间进行原子钟研究的部署也已经展开。我们可以期待，未来有一颗像“墨子号”那样的实验卫星，第一次搭载中国人自己研制的高性能光钟，去探索有关宇宙时间和空间的秘密。
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