科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家開(kāi)展了迄今最全面的光學(xué)原子鐘（以下簡(jiǎn)稱“光鐘”）協(xié)調(diào)比對(duì)實(shí)驗(yàn)。他們?cè)?個(gè)國(guó)家同步運(yùn)行多臺(tái)光鐘及其連接鏈路，跨越數(shù)千公里，邁出了更精確定義“秒”這一基本時(shí)間單位，建立全球光學(xué)時(shí)間尺度的重要一步。在最新一期《光學(xué)》期刊上，來(lái)自多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。

光鐘利用激光精準(zhǔn)激發(fā)原子，使其在特定能級(jí)間躍遷。這些躍遷會(huì)產(chǎn)生極其穩(wěn)定的頻率，就像鐘表里的“滴答聲”，可以用來(lái)計(jì)時(shí)。由于光鐘種類眾多所用原子不同，要充分發(fā)揮其高精度潛力，必須進(jìn)行跨地域比對(duì)，確認(rèn)它們的一致性。

幾十年來(lái)，全球統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)一直基于多臺(tái)銫微波原子鐘信號(hào)的平均值。然而，光鐘的精度已遠(yuǎn)超銫鐘，高出約100倍。隨著技術(shù)進(jìn)步，越來(lái)越多科學(xué)家呼吁用光鐘取代銫鐘，重新定義國(guó)際單位制中的“秒”。

此次實(shí)驗(yàn)協(xié)調(diào)比對(duì)了6國(guó)共10臺(tái)不同類型的光鐘，完成了38組頻率比對(duì)，其中4組為首次直接比對(duì)，其他多組的精度也顯著提升。

與以往的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鐘表比對(duì)不同，這次實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)多臺(tái)光鐘同時(shí)比對(duì)，并結(jié)合了多種鏈路技術(shù)，從而獲得了更豐富的信息。通過(guò)一整套協(xié)調(diào)測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)檢驗(yàn)一致性并提高可信度。這對(duì)于決定哪些光鐘適合用于新“秒”的定義具有重要意義。

為實(shí)現(xiàn)這些比對(duì)，研究團(tuán)隊(duì)需要將各地光鐘系統(tǒng)的頻率輸出連接起來(lái)。他們采用了兩種方式：一是使用GPS衛(wèi)星信號(hào)，適用于所有地點(diǎn)但精度有限；二是通過(guò)光纖傳輸激光信號(hào)，這種方式精度比前者高出100倍，但僅限法國(guó)、德國(guó)和意大利之間。

英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室時(shí)間與頻率部門(mén)負(fù)責(zé)人海倫·馬戈利斯表示，原子鐘提供的精準(zhǔn)時(shí)頻信號(hào)是GPS、電網(wǎng)調(diào)度和金融交易等現(xiàn)代技術(shù)的核心。這項(xiàng)研究有望提升下一代光鐘性能，推動(dòng)新應(yīng)用發(fā)展，并支撐更多依賴高精度計(jì)時(shí)的科學(xué)探索。

總編輯圈點(diǎn)

秒，一個(gè)我們熟悉的時(shí)間計(jì)量單位。當(dāng)閱讀前面這句話時(shí)，時(shí)間又過(guò)了幾秒。但是，秒到底是什么？它其實(shí)有個(gè)復(fù)雜的定義——銫原子躍遷9192631770次。此次科研人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)光纖和衛(wèi)星組合可以構(gòu)建全球光鐘網(wǎng)絡(luò)。光鐘精度比原子鐘高100倍，計(jì)時(shí)工具的升級(jí)換代，可以推動(dòng)關(guān)于時(shí)間的認(rèn)知革命。更精確地定義秒為什么重要？現(xiàn)代工業(yè)中的許多技術(shù)都依賴于精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量，它還能推動(dòng)人類對(duì)宇宙和自然規(guī)律的深入理解。