$10^{-18}$ -- 人类有史以来最精确的时钟（The most accurate clock we ever built）

时间一直以来都是一个很有意思的概念，先贤们也对此争论不休。当然，时间也在方方面面影响着人们的生活。自古就有“日出而作，日落而息”的说法。虽然来到近代，我们已经（很大程度上）脱离了日晷，摆钟，石英钟和电子表，逐渐习惯了智能手机和智能手表。我们仅需要连接网络，智能设备就可以自动设定当前的时间。而这背后，少不了一个叫做“原子钟”（Atomic clock）的设备。

原子钟可以以惊人的精度来测量时间。以1999年的数据为例，原子钟在600万年内的误差还不到一秒。而最近，一项新技术使得原子钟的精度更上一层楼。

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近日，来自美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人员在顶级期刊《自然》上发表了一篇名为Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network的文章。在该文章中，作者利用一个原子钟网络，使得其频率（时间的倒数）的测量误差仅为$8\times 10^{-18}$。如果没有订阅，又想看一下原文，可以戳arXiv的版本。

在远古时期，人类对于时间的认知大多来自于太阳。通关观察太阳在天空中的变化，我们即可感知时间的流逝。所以最简单的方法就是利用太阳计时。不过盯着太阳看久了，大概率会🦐，所以古人便设计了日晷。最简单的日晷就是立一根木根，观察其在太阳下的投影。当然，这项技术的局限也是显而易见的。一方面，这几乎没有什么准确性可言，另一方面，一但阴天刮风下雨就凉凉了。

除了日晷，还有一种叫漏刻的计时工具，这有点像沙漏，不过我国古代基本都是用漏刻比较多。其原理是通过滴水把🪣中的浮标浮起，然后观察桶口对应的标度，就能知道时间了。这些设备大概出现在公元前1500 - 1100这样，据说很多已经不可考证了。

计时工具的第一个突破来自17世纪，随着物理学的发展，大神伽利略（Galileo Galilei，就是那个比萨斜塔表演高空抛物的伽利略！不是神探伽利略）首先提出了可以用单摆设计时钟。为什么说这是个突破呢？因为这是首次人类意识到可以用一种力学系统，即（经典）偕振子来设计⏰。即使现在最精确的原子钟，本质也是利用“量子偕振子”来实现的。到了20世纪初，一些精心设计的摆钟可以达到非常高的精度，差不多1天只有几个毫秒的误差。但这也差不多是摆钟的极限了。

当然，这样的精度显然满足不了人类对真理的追求。在19世纪2，30年代，另一项重要发明，石英表出现了。石英晶体具有压电效应，即在电场下，石英晶体会在垂直方向规律震动。而这个震动的频率，又称固有频率，相对稳定。使得石英钟可以又很高的精度。目前石英钟的精度普遍好于$10^{-10}$，差不多320年才有1秒的误差。

时间来到了20世纪50年代，随着世纪初量子力学的发展，大牛拉比（Isidor Isaac Rabi，1944年诺奖物理学得主）率先提出了原子钟的概念。不过那时候冷原子技术还不够牛叉，实际是分子钟（氨微波激射器）。可惜的是，它的精度还没有优良的石英钟高（主要是受到微波段频率的限制）。不过故事还远远没有结束，“士别三日，即更刮目相待”。

这时候，NIST的大佬们就登场了。他们在1952年首先首次使用了铯原子作为震荡源，这项技术一直沿用至今。事实上，1秒就被定义为铯原子的电子自旋翻转9192631770次所需的时间。1972年，科学家使用铯原子钟验证了狭义相对论的“动钟变慢”。到了1999年，NIST-F1铯原子钟的精度已经到了牛（sang）叉（xin）哄（bing）哄（kuang）的$10^{-15}$，要2000万年才会有一秒的误差。

大佬终究是大佬，NIST并没有就此停下自己的步伐。2014年，NIST-F2达到了$10^{-16}$的精度。这样的精度已经很接近单个原子钟的极限了，换句话说，如果继续用铯或者锶，单个原子钟的精度也无法突破$10^{-16}$。走到这里差不多只有两个选择了。第一是用一种新的钍（音同“土”）元素制造核时钟，但目前实验对其基态以及最低激发态制备的掌控还不是很好，所以短期内不太可能实现。另一个方案则是通过比较两个不同原子钟的频率比。而此次$10^{-18}$精度的原子钟正是通过后者来实现的。当然，具体的技术就不在此展开了。

很多人可能有疑问，把时钟精度提高到底有什么意义呢？很多科研人员可能会说，这会帮助我们更精确地测量一些基本的物理学常数啦之类的。事实上，一个很基本的应用就隐藏在我们每天的生活中。相信大家已经非常习惯使用GPS实时导航了，然而根据狭义相对论，卫星所在的地方，时间流逝和我们是不一样的，会稍慢一些。只有通过原子钟，我们才能准确地记录这些微小的差异，是的精准实时的定位成为可能。

最后插一句，上面提到的NIST是美国的国家机构，肯定很多小伙伴会关心一下国内在这方面的技术水平。作为一只做理论冷原子的博士狗，我在此拍拍胸脯表示，我国的冷原子技术，不论是理论还是实验都是国际领先的。在2019年，我国也已经实现了精度为$10^{-16}$的铯原子钟。而在2016年，我国的天宫二号就载着精度为$10^{-15}$的铷原子钟上天了。目前，北斗卫星导航系统所使用的原子钟也都是我国自主生产的。

Reference

• Atomic clock
• Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network
• 你知道古代人是怎么看时间的吗？
• 漏刻 （中国古代计时器）
• 摆钟
• 石英钟