重新定義秒，鍶光鐘又進一步

◎實習記者 蘇菁菁

你有沒有想過，1秒是多久？

  是時鐘的一次嘀嗒聲，人們的一次眨眼，還是數到“1”的所用的時間？這一問題看似容易，其實并不簡單。為了更精確地定義秒，全世界的科學家已經努力了多年。

  近日，中國科學院國家授時中心（以下簡稱國家授時中心）的鍶原子光晶格鐘的相關研究取得了重要進展。國家授時中心研制出了鍶光鐘，并通過守時氫鐘溯源至國際原子時，實現了在現行時間單位秒定義下的鍶光鐘絕對頻率測量，相關研究成果發表于《計量學》。

重新定義“1秒”：從天文秒到原子秒

  我們可以通過運動來計量時間，有規律的、能夠重復的周期現象是人們計量時間的重要工具。

  曾經，我們依賴觀測天體運動定義秒。科學家們發現，日月輪換、晝夜交替具有規律性，因此便以地球的周期運動來定義秒，從而有了我們熟知的一年大約365日，1日24小時，每小時60分鐘，每分鐘60秒，總計一天86400秒。

  但由于地球公轉、自轉的運動速度并不均勻，于是，科學家們將目光轉到了微觀層面，尋找更精確穩定的周期來確定一秒有多長。

  “科學家們發現，微觀量子世界的一些參數比天體運動更加穩定。1967年，國際單位制以銫-133原子的能級躍遷為基礎，重新定義了秒，也即原子秒。”中國計量科學研究院（以下簡稱中國計量院）研究員林弋戈說。

  林弋戈告訴記者，原子的能級躍遷就是指原子從一種能量狀態到另一種能量狀態。在這一過程中，原子發射出的電磁波頻率非常穩定，因此可以采用某些原子的躍遷頻率作為時間的計量基準，從而建立原子鐘。

  終于，1967年，第十三屆國際計量大會（CGPM）決定，將秒的定義從天文秒改為原子秒，將銫-133原子無干擾的基態超精細能級躍遷對應輻射的9192631770個周期所持續的時間定為1秒。也就是說，將銫-133原子發出的輻射振動9192631770次所持續的時間定為1秒。

鍶光鐘數據獲得國際認可

  國家授時中心研究員常宏告訴記者，根據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間頻率基準的原子鐘就是微波鐘，而以原子的光學波段共振頻率作為時間頻率基準的原子鐘則被稱為光鐘。

  據了解，光鐘的工作頻段比微波鐘的工作頻段高4到5個數量級，因此光鐘可以達到比微波鐘更高的精度。

  近日，國家授時中心完成了對其研制的鍶原子光鐘性能的評估確認，并在現行時間單位秒定義下對鍶原子光鐘的絕對頻率進行了測量。

  這一步驟完成后，國家授時中心鍶原子光鐘的相關數據將作為重要的參考值上報給國際時間頻率咨詢委員會頻率標準工作組，成為鍶光鐘頻率國際推薦值計算所需要的源數據。“在我們的鍶原子光鐘研制完成后，需要將其數據納入現行秒定義框架之下進行頻率測量，來確保未來時間單位秒基于光鐘重新定義時，量值保持連續。此次發表于《計量學》上的成果，代表著國際上認可了我們的鍶光鐘的評估和測量數據。”常宏說。

  這一成果的第一作者、國家授時中心盧曉同博士告訴記者，完成現行時間單位秒定義下的鍶光鐘絕對頻率測量，主要包括兩個方面的技術探索。第一是鍶光鐘的實現，第二是如何將鍶光鐘輸出的光頻信號溯源至現行秒定義。“研究的過程比較艱辛。”常宏說，“從研制鍶光鐘，到完成‘評估與認可’，國家授時中心一共花了15年。”“光鐘的研制對于國家授時中心而言是全新的領域，需要非常多的專業知識，例如原子物理、激光技術、電子線路等，這些都需要知識的積累與時間的沉淀。”常宏說。常宏告訴記者，從2008年到2017年，國家授時中心的鍶光鐘制作完成，這臺鐘終于“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”頻率的研究始于2017年，近日，這臺光鐘實現了現行時間單位秒定義下的鍶光鐘絕對頻率測量，數據獲得了國際認可。

  據了解，能夠成功研制光晶格鐘的國家并不多，其中多數是發達國家。“現在，國內完成光晶格原子鐘研制的共4家，分別是中國計量院、國家授時中心、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、華東師范大學。”常宏說。其中，中國計量院和國家授時中心都獨立完成了光鐘頻率通過國際原子時溯源到現行秒定義的工作。

  “目前，鍶光鐘研究最為領先的是美國葉軍團隊和日本東京大學的香取秀俊研究組，我們的研究和這兩個團隊還有差距。但我們與法國的巴黎天文臺、德國聯邦物理技術研究院、英國國家物理實驗室的差距正在縮小，甚至在某些方面實現了超越。”常宏說。

秒定義關乎基礎科學發展

  目前，國內多家單位都在進行光鐘的研制與絕對頻率測量，有些團隊研制鍶原子光鐘，有些則研制鈣離子光鐘、鐿原子光鐘。“現在，在如何重新定義秒的問題上，國際上還沒有一個共識，其中一個重要的原因就是這些光鐘的表現都不錯，不存在某一種原子光鐘性能明顯強于另一種的情況。所以，目前國際上還沒有選定要用哪種光鐘來進行未來的秒定義。”林弋戈說，“前兩年，國際上提出了一個定義秒的新想法，是使用多種原子鐘的加權平均值作為新的秒定義。所以國內做多種光鐘是非常有意義的。”

  目前，中國計量院的鍶原子光鐘、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院的鈣離子光鐘和華東師范大學的鐿原子光鐘的頻率測量結果已經被國際時間頻率咨詢委員會頻率標準工作組接受，這三所單位的測量數據參與了這幾種光鐘頻率國際推薦值的計算。

  那么，為什么我們要積極研制光鐘，實現更精確的秒定義呢？

  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確的導航服務。每當我們打開地圖、“搖一搖”尋找身邊的人，精確的秒定義都在發揮著作用。此外，交通、金融、電網、計算機網絡、移動通信等領域的安全運行都依靠高精度的時間頻率計量。

  此外，精確地定義秒還關乎基礎科學的發展。“目前包括物理學研究在內的很多領域都亟待突破。而突破的發生，需要科學上或技術上其他的突破來帶動。時間頻率目前是人類能夠測量的最準確的物理量，可以說時間頻率測量能力的提升，將會帶動多個研究領域的進步。”林弋戈說。

  例如，秒的精確定義和測量可以幫助科學家更深入地研究宇宙中的暗物質，了解發生在遙遠太空中的由更小的天體并合所產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。”常宏說。

  2022年，第二十七屆國際計量大會通過“關于秒的未來重新定義”的決議——利用光鐘實現時間單位秒的重新定義。該決議計劃在2026年國際計量大會上提出關于秒的重新定義的建議，并在2030年第二十九屆國際計量大會上做出最終決定。

  “我國需要讓更多自己研制的光鐘參與到這一工作中，在未來時間單位秒定義變更時確保我國有更多的話語權，維護國家權益。”常宏說。“我國一直在進行光鐘的研究，是為了能夠在秒定義的過程中作出貢獻，推動科學的發展，并且在未來獨立自主地復現秒定義，這一工作不僅體現了我國較高的科研水平，還能夠長期、自主地保持中國標準時間的準確、穩定。”林弋戈說。