如何测量万亿分之一秒？
如何测量万亿分之一秒？
计时的未来可能创建在镥元素的基础上
The lutetium-based atomic clock at the National University of Singapore.
Photograph by Ore Huiying for Bloomberg Businessweek
世界上最精准时钟之一的最重 要部份，是钉书钉大小、薄 如纸片的一块镥。它放在一 个隔音、防震、迷你雪柜大小的盒子里，盒子放在一张价值 2.2 万美元的防 震桌上。新加坡国立大学物理学副教授 巴雷特 (Murray Barrett) 伸手去拿盒子给我看。「应该没问题，」他用温暖的新 西兰口音说道。但接着他又犹豫起来。 黑漆漆的实验室里有很多雷射光，光束透过晶体管和电子零件的排列得以聚 集 、分裂和增强。「正常情况下不会出 什么问题，」他一边说一边从仍有很多 工作有待完成的时钟退后。「但我不确定我们是否在运行什么东西。」
巴雷特的时钟位于该校的量子技术中心，它的目的是与之前的时钟相比，把时间分割成更多 、更小的片段。仿真 秒表通常可以将秒分成 10 份:0.1 秒 、 0.2 秒……理论上，镥钟将在小数点右 边添加 14 个零，因此可以将秒分割成 一万亿份 (大致上的数字)，如果让其 连续运行 300 亿年，精准度可以控制在 一秒之内。哪怕是最小的震动，比如保 持实验室环境清洁的排气扇，都会对它 的精度造成干扰，而这间实验室所有的工作都是围绕着精度展开的。
到目前为止，精确到小数点后 15 位的时钟，其潜在应用都是理论上的，都是不为世俗理解的雄心壮志。但这并 没有阻止世界各地的实验室使用不同的 元素展开竞争，以达到相同的目标。在某种程度上，镥是胜算最小的元素。它 不仅在自然界相对稀少，而且由于开采 成本高，并且与其他一些元素具有类似 性，所以已知的应用不多。因此，研究 人员和业界往往不会将其作为考虑对 象。如果巴雷特及其实验室取得了成 功，镥的全球市场也不会显著扩大—— 毕竟，这种时钟用不了多少镥。不过，它会很快成为科学和全球经济跳动的 心脏。
所有时钟都是透过跟踪一个反 覆发生的事件来测量时间。 这可能意味着透过日晷上的 阴影来跟踪地球的自转，也可能意味着计算钟摆的摆动。不过，这些计时方法 无法产生在所有事件和地点都恒定的测 量结果。温度和湿度会对机械钟的零件 产生影响，延长或者缩短秒数。基于天 文观测的计时受到地球围绕太阳的轨道不规则性的限制。 到目前为止的人类历史大部份时
候对精度都没有太高的要求，所以时钟 的局限从来就不是一个多大的问题。然后在 19 世纪，原子物理学开辟了一种 可能，即对时间有一个普遍的、不变 的定义。这个想法看起来很简单。当受 到精确频率的辐射轰击时，元素周期表 上每个元素的原子都会发出独特的震 动。因此，如果在现有的最佳非原子定 义的一秒中，能够计算出激发一个原子 所必需的辐射周期数，那么世界就会有 一个以永恒不变的原子为基础的对秒的 新定义。实际上，这就是原子钟背后的原理。
在近 20 年的时间里，科学家们 确定了铯的振动相对容易观察，并且 它仅以一种稳定的形式存在，因此不 需要提纯，是再合适不过的化学元 素。1967 年，国际计量大会 (Genera Conference on Weights and Measures) 放弃了过去对秒的天文定义，用激发铯 133 振动所需的逾 91.92 亿次微波振荡所需的时间取而代之。
甚至在原子秒被定义之前，就有科 技 、军事和商业企业对利用更精确的计 时表现出浓厚的兴趣。美国军方是原子钟最早的主顾之一，武装部队在 1973 年推出了全球定位系统 (GPS)，这是 一个超高精度的导航网络，它配备了原 子钟的卫星来测量信号到达地球上的接 收器和再反射回来需要多长时间。
Featured in Bloomberg Businessweek , Sept. 2, 2019.
Photograph by Tommy Trenchard (neon), Shawn Records (sodium), Christie Hemm Klok (berkelium), Carlotta Cardana (gold), and Kiliii Yuyan (neodymium) for Bloomberg Businessweek
导弹和其他军事技术是 GPS 的直 接受益者。私营部门也从 Google 地 图到使用 GPS 进行同步的现代通信网 络中受益。根据 2019 年 6 月的一项研究，从 1984 年到 2017 年，GPS 为美国 带来了 1.35 万亿美元的经济效益，该研 究由科罗拉多州的国家标准与技术研究 所 (National Institute of Standards and Technology，简称 NIST) 资助。中国 、 欧洲和日本都有各自依赖原子钟的卫星 导航系统;如果全部停摆—— 尽管这种 可能性微乎其微，将使全球经济陷入瘫痪。
近 20 年来，世界各地的科学家一 直在研究如何改进原子钟，利用可见光来激发原子，可见光的振荡速度比铯原 子钟的微波振荡速度快 10 万倍。打造 光学原子钟，不仅仅是把微波换成激 光，把铯换成另一种元素。而是科学家 必须克服一系列的科学和技术挑战，包括哪种元素最适合做计时工作这个基本问题。
候选元素从不缺乏，包括铝、汞和 锶。目前的领先者似乎是镱，NIST 以及 欧洲和亚洲的一些实验室正在对其进行 调查，这些研究团队人员充足 、资金雄 厚。2018 年末，NIST 宣布两个镱原子 钟在精准度 、稳定性和重现性都创下了 记录。在这场激烈而昂贵的竞争中，镥 是一个后来者。不过，得益于巴雷特的 努力，它在相对较短的时间里就证明了 自己是一匹令人产生浓厚兴趣 、不容小觑的黑马。
巴雷特原本并不想成为时钟研 究者。2002 年，在佐治亚理工学院拿下原子物理学博士 学位后，他在 NIST 的量子计算和消息项目做了两年的博士。在新加坡担任现 职之前，他曾短暂回到新西兰。他的研 究最初集中在他称之为「量子消息」的 东西，这是一个将计算与量子物理学的 微小世界相结合的领域。据巴雷特的说 法，有一天他在办公室，「只是碰巧看 到了镥，并对精密测量产生了兴趣。」 我脸上的怀疑让他暂时打住了话头，然 后又补充道:「就是这么随性。」
哪怕是前几代原子钟完全不受影响 的微小的温度变化，对于超灵敏的光学 原子钟来说，也可能成为误差源。事实 证明，镥对温度变化很不敏感。「我的 观点是，」巴雷特说，「原子对环境越不 敏感，造出的钟就越准确。」
巴雷特站在自己的实验室里，周 围都是自制的雷射光器和各种电子设 备，其中一些在黑暗中发出幽灵般的红 线。他以两把长度相当的尺来解释为什 么需要更精确的时钟。他说，这两把尺 可以视为时钟。铯尺以厘米为单位，但以镥元素为基础的光学钟「以毫米为 单位」，因此可以更精确地测量世界。 它甚至可以测量以前从未测量过的东 西，从而揭示和解决物理学的一些基本 问题。
比如，爱因斯坦的广义相对论认 为，你运动速度越快，受到的引力就越 大，时间就越慢。为了证实这一点，科 学家把原子钟送上太空，发现与地球上 的钟相比，它们走得慢了。同样，山顶 的原子钟比位于山脚的原子钟走得要 快，因为山脚的重力更大。如果光学原 子钟可以缩小到便携式大小，那么这些 可测量的时间变化就可以用来绘制出 详尽程度前所未有的地球地形。从理论 上讲，它们也许能够揭示地下的矿藏。
光学原子钟是高精度测量的科学宝 藏，它甚至可以揭示暗物质，这种神秘 物质约占宇宙质量的 27% 左右。它的 存在只是推断，因为光靠普通物质无法 解释星系等大质量物体的演化和结构。 NIST 的镱原子钟达到的精度水平，或许 最终足以探测到暗物质的识别标志。
在博尔德，NIST 创下记录的原子 钟项目负责人勒德洛 (Andrew Ludlow) 觉得还没有到喝庆功酒的时候。他说，「目前，还难以想像一个成熟的光学 原子钟能以可以广泛部署的价位来开 发。」更为棘手的是，光学原子钟的复 杂性意味着它们往往经历显著的停机时 间。先别说检测暗物质的识别标志，即 使要让它成为秒的新参考，都需要它们 不间断的全天候运行。「由于这种时钟 的复杂性以及成本高昂，用到的场合并 不多，但一旦用到，就必须状况极佳才 行，」勒德洛说，「各种军事应用就属于 这一类。」勒德洛的资助单位包括美国 太空总署 (NASA) 和国防部高等研究 计 划 署 (Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)。
但光学原子钟的市场正在扩大。勒德洛说，「有个别来自金融行业的人联 系过我，他们对光学原子钟存在普遍的 好奇心。」光学原子钟使得交易所可以 在更小的时间增量中为更多的交易打上 时间标记，完成更多交易，所以高频交易员和那些与之针锋相对者都表现出了 强烈的兴趣。2016 年，对冲基金文艺复兴公司 (Renaissance Technologies) 申请了一项交易所交易系统专利，该系 统依赖「原子钟、光学原子钟、量子 钟 、全球定位系统卫星钟，以及所有时 间测量精度到微秒的时钟」。
当我问巴雷特金融行业对光学原子 钟的兴趣时，他不自在地笑了笑。他坐 在办公桌前，这是一间宽敞的办公室，位置就在实验室的对面;他旁边有一块 白板，上面画满箭头和方程序。他进入 物理学领域不是为了找到给更多交易加 时间戳的办法。相反，对精度的追求「符合我的个性」，他说道，有志透过 无休止的修补来提高精度，使得时钟更 准确。「困难的是知道什么时候该停下 来，发表研究，」他说。
巴雷特愉快地承认，到目前为 止，在研究定义秒的光学原 子钟的竞赛上，他的实验室 和镥还不是领先者。首先，他的资金不 如其他团队那么充足。但他说，他缺 乏的资源被其原子特性所弥补。「我认 为，如果你能用镥造出一个精确的钟，那么你就一定能用镱造出一个精确的 钟，因为它的特性更佳。」
目前资助他的是新加坡科技研究 局，这是一个资助研发的政府机构，帮 助这个城市国家提高竞争优势。「他们 为什么要资助这个项目? 」巴雷特问 道。「如果你看一下时钟的历史，随着 我们造出越来越精确的时钟，新的应用 领域就会跑出来，已经有的应用领域会 变得越来越好。」
对于这些研究机构之外的人来说，取得进展的第一个证据是对秒的新定 义。正式出来最快是在定于 2022 年召 开的国际计量大会上。但绝大多数观 察人士认为，至少在 2026 年的会议之前，全球不会就「哪种元素或者时钟设计应该作为秒的新定义」达成共识。现 在，巴雷特和其他的时钟研究者一样，专注在滴答声上。「这就是你在时钟领域真正做的事情，」他说。「你会问，『我们要如何让计时越来越准? 』」
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