重新定义秒，锶光钟又进一步
□苏菁菁
字数：2667
2023-03-08
版名：文化
你有没有想过，1秒是多久？
是时钟的一次嘀嗒声，人们的一次眨眼，还是数到“1”所用的时间？这一问题看似容易，其实并不简单。为了更精确地定义秒，全世界的科学家已经努力了多年。
近日，中国科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）的锶原子光晶格钟的相关研究取得了重要进展。国家授时中心研制出了锶光钟，并通过守时氢钟溯源至国际原子时，实现了在现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量。
重新定义“1秒”：从天文秒到原子秒
我们可以通过运动来计量时间，有规律的、能够重复的周期现象是人们计量时间的重要工具。
曾经，我们依赖观测天体运动定义秒。科学家们发现，日月轮换、昼夜交替具有规律性，因此便以地球的周期运动来定义秒，从而有了我们熟知的一年大约365日，1日24小时，每小时60分钟，每分钟60秒，总计一天86400秒。
但由于地球公转、自转的运动速度并不均匀，于是，科学家们将目光转到了微观层面，寻找更精确稳定的周期来确定1秒有多长。
“科学家们发现，微观量子世界的一些参数比天体运动更加稳定。1967年，国际单位制以铯-133原子的能级跃迁为基础，重新定义了秒，也即原子秒。”中国计量科学研究院（以下简称中国计量院）研究员林弋戈说。
林弋戈介绍，原子的能级跃迁就是指原子从一种能量状态到另一种能量状态。在这一过程中，原子发射出的电磁波频率非常稳定，因此可以采用某些原子的跃迁频率作为时间的计量基准，从而建立原子钟。
终于，1967年，第十三届国际计量大会（CGPM）决定，将秒的定义从天文秒改为原子秒，将铯-133原子无干扰的基态超精细能级跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定为1秒。也就是说，将铯-133原子发出的辐射振动9192631770次所持续的时间定为1秒。
锶光钟数据获得国际认可
国家授时中心研究员常宏介绍，根据输出频率的范围不同，原子钟可以分为微波钟与光钟。
以原子的微波波段共振频率作为时间频率基准的原子钟就是微波钟，而以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准的原子钟则被称为光钟。
据了解，光钟的工作频段比微波钟的工作频段高4到5个数量级，因此光钟可以达到比微波钟更高的精度。
近日，国家授时中心完成了对其研制的锶原子光钟性能的评估确认，并在现行时间单位秒定义下对锶原子光钟的绝对频率进行了测量。
这一步骤完成后，国家授时中心锶原子光钟的相关数据将作为重要的参考值上报给国际时间频率咨询委员会频率标准工作组，成为锶光钟频率国际推荐值计算所需要的源数据。
“在我们的锶原子光钟研制完成后，需要将其数据纳入现行秒定义框架之下进行频率测量，来确保未来时间单位秒基于光钟重新定义时，量值保持连续。此次发表于《计量学》上的成果，代表着国际上认可了我们的锶光钟的评估和测量数据。”常宏说。
国家授时中心卢晓同博士介绍，完成现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，主要包括两个方面的技术探索。第一是锶光钟的实现，第二是如何将锶光钟输出的光频信号溯源至现行秒定义。
“研究的过程比较艰辛。”常宏说，“从研制锶光钟，到完成‘评估与认可’，国家授时中心一共花了15年。”
“光钟的研制对于国家授时中心而言是全新的领域，需要非常多的专业知识，例如原子物理、激光技术、电子线路等，这些都需要知识的积累与时间的沉淀。”常宏说。
常宏介绍，从2008年到2017年，国家授时中心的锶光钟制作完成，这台钟终于“走了起来”，但是“走起来”后，人们还需要知道光钟的频率值具体是多少。“校准”频率的研究始于2017年，近日，这台光钟实现了现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，数据获得了国际认可。
据了解，能够成功研制光晶格钟的国家并不多，其中多数是发达国家。“现在，国内完成光晶格原子钟研制的共4家，分别是中国计量院、国家授时中心、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、华东师范大学。”常宏说。其中，中国计量院和国家授时中心都独立完成了光钟频率通过国际原子时溯源到现行秒定义的工作。
“目前，锶光钟研究最为领先的是美国叶军团队和日本东京大学的香取秀俊研究组，我们的研究和这两个团队还有差距。但我们与法国的巴黎天文台、德国联邦物理技术研究院、英国国家物理实验室的差距正在缩小，甚至在某些方面实现了超越。”常宏说。
秒定义关乎基础科学发展
目前，国内多家单位都在进行光钟的研制与绝对频率测量，有些团队研制锶原子光钟，有些则研制钙离子光钟、镱原子光钟。
“现在，在如何重新定义秒的问题上，国际上还没有一个共识，其中一个重要的原因就是这些光钟的表现都不错，不存在某一种原子光钟性能明显强于另一种的情况。所以，目前国际上还没有选定要用哪种光钟来进行未来的秒定义。”林弋戈说，“前两年，国际上提出了一个定义秒的新想法，是使用多种原子钟的加权平均值作为新的秒定义。所以国内做多种光钟是非常有意义的。”
目前，中国计量院的锶原子光钟、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的钙离子光钟和华东师范大学的镱原子光钟的频率测量结果已经被国际时间频率咨询委员会频率标准工作组接受，这三所单位的测量数据参与了这几种光钟频率国际推荐值的计算。
那么，为什么我们要积极研制光钟，实现更精确的秒定义呢？
对于人们的日常生活而言，秒的精确定义将让人们享受更准确的导航服务。每当我们打开地图、“摇一摇”寻找身边的人，精确的秒定义都在发挥着作用。此外，交通、金融、电网、计算机网络、移动通信等领域的安全运行都依靠高精度的时间频率计量。
此外，精确地定义秒还关乎基础科学的发展。
“目前包括物理学研究在内的很多领域都亟待突破。而突破的发生，需要科学上或技术上其他的突破来带动。时间频率目前是人类能够测量的最准确的物理量，可以说时间频率测量能力的提升，将会带动多个研究领域的进步。”林弋戈说。
例如，秒的精确定义和测量可以帮助科学家更深入地研究宇宙中的暗物质，了解发生在遥远太空中的由更小的天体并合所产生的极微弱的引力波等。
“参与到国际秒定义变更中，对国家而言也意义深远。”常宏说。
2022年，第二十七届国际计量大会通过“关于秒的未来重新定义”的决议——利用光钟实现时间单位秒的重新定义。该决议计划在2026年国际计量大会上提出关于秒的重新定义的建议，并在2030年第二十九届国际计量大会上做出最终决定。
“我国需要让更多自己研制的光钟参与到这一工作中，在未来时间单位秒定义变更时确保我国有更多的话语权，维护国家权益。”常宏说。
“我国一直在进行光钟的研究，是为了能够在秒定义的过程中作出贡献，推动科学的发展，并且在未来独立自主地复现秒定义，这一工作不仅体现了我国较高的科研水平，还能够长期、自主地保持中国标准时间的准确、稳定。”林弋戈说。
（据《科技日报》，有删节）
是时钟的一次嘀嗒声，人们的一次眨眼，还是数到“1”所用的时间？这一问题看似容易，其实并不简单。为了更精确地定义秒，全世界的科学家已经努力了多年。
近日，中国科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）的锶原子光晶格钟的相关研究取得了重要进展。国家授时中心研制出了锶光钟，并通过守时氢钟溯源至国际原子时，实现了在现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量。
重新定义“1秒”：从天文秒到原子秒
我们可以通过运动来计量时间，有规律的、能够重复的周期现象是人们计量时间的重要工具。
曾经，我们依赖观测天体运动定义秒。科学家们发现，日月轮换、昼夜交替具有规律性，因此便以地球的周期运动来定义秒，从而有了我们熟知的一年大约365日，1日24小时，每小时60分钟，每分钟60秒，总计一天86400秒。
但由于地球公转、自转的运动速度并不均匀，于是，科学家们将目光转到了微观层面，寻找更精确稳定的周期来确定1秒有多长。
“科学家们发现，微观量子世界的一些参数比天体运动更加稳定。1967年，国际单位制以铯-133原子的能级跃迁为基础，重新定义了秒，也即原子秒。”中国计量科学研究院（以下简称中国计量院）研究员林弋戈说。
林弋戈介绍，原子的能级跃迁就是指原子从一种能量状态到另一种能量状态。在这一过程中，原子发射出的电磁波频率非常稳定，因此可以采用某些原子的跃迁频率作为时间的计量基准，从而建立原子钟。
终于，1967年，第十三届国际计量大会（CGPM）决定，将秒的定义从天文秒改为原子秒，将铯-133原子无干扰的基态超精细能级跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定为1秒。也就是说，将铯-133原子发出的辐射振动9192631770次所持续的时间定为1秒。
锶光钟数据获得国际认可
国家授时中心研究员常宏介绍，根据输出频率的范围不同，原子钟可以分为微波钟与光钟。
以原子的微波波段共振频率作为时间频率基准的原子钟就是微波钟，而以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准的原子钟则被称为光钟。
据了解，光钟的工作频段比微波钟的工作频段高4到5个数量级，因此光钟可以达到比微波钟更高的精度。
近日，国家授时中心完成了对其研制的锶原子光钟性能的评估确认，并在现行时间单位秒定义下对锶原子光钟的绝对频率进行了测量。
这一步骤完成后，国家授时中心锶原子光钟的相关数据将作为重要的参考值上报给国际时间频率咨询委员会频率标准工作组，成为锶光钟频率国际推荐值计算所需要的源数据。
“在我们的锶原子光钟研制完成后，需要将其数据纳入现行秒定义框架之下进行频率测量，来确保未来时间单位秒基于光钟重新定义时，量值保持连续。此次发表于《计量学》上的成果，代表着国际上认可了我们的锶光钟的评估和测量数据。”常宏说。
国家授时中心卢晓同博士介绍，完成现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，主要包括两个方面的技术探索。第一是锶光钟的实现，第二是如何将锶光钟输出的光频信号溯源至现行秒定义。
“研究的过程比较艰辛。”常宏说，“从研制锶光钟，到完成‘评估与认可’，国家授时中心一共花了15年。”
“光钟的研制对于国家授时中心而言是全新的领域，需要非常多的专业知识，例如原子物理、激光技术、电子线路等，这些都需要知识的积累与时间的沉淀。”常宏说。
常宏介绍，从2008年到2017年，国家授时中心的锶光钟制作完成，这台钟终于“走了起来”，但是“走起来”后，人们还需要知道光钟的频率值具体是多少。“校准”频率的研究始于2017年，近日，这台光钟实现了现行时间单位秒定义下的锶光钟绝对频率测量，数据获得了国际认可。
据了解，能够成功研制光晶格钟的国家并不多，其中多数是发达国家。“现在，国内完成光晶格原子钟研制的共4家，分别是中国计量院、国家授时中心、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、华东师范大学。”常宏说。其中，中国计量院和国家授时中心都独立完成了光钟频率通过国际原子时溯源到现行秒定义的工作。
“目前，锶光钟研究最为领先的是美国叶军团队和日本东京大学的香取秀俊研究组，我们的研究和这两个团队还有差距。但我们与法国的巴黎天文台、德国联邦物理技术研究院、英国国家物理实验室的差距正在缩小，甚至在某些方面实现了超越。”常宏说。
秒定义关乎基础科学发展
目前，国内多家单位都在进行光钟的研制与绝对频率测量，有些团队研制锶原子光钟，有些则研制钙离子光钟、镱原子光钟。
“现在，在如何重新定义秒的问题上，国际上还没有一个共识，其中一个重要的原因就是这些光钟的表现都不错，不存在某一种原子光钟性能明显强于另一种的情况。所以，目前国际上还没有选定要用哪种光钟来进行未来的秒定义。”林弋戈说，“前两年，国际上提出了一个定义秒的新想法，是使用多种原子钟的加权平均值作为新的秒定义。所以国内做多种光钟是非常有意义的。”
目前，中国计量院的锶原子光钟、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的钙离子光钟和华东师范大学的镱原子光钟的频率测量结果已经被国际时间频率咨询委员会频率标准工作组接受，这三所单位的测量数据参与了这几种光钟频率国际推荐值的计算。
那么，为什么我们要积极研制光钟，实现更精确的秒定义呢？
对于人们的日常生活而言，秒的精确定义将让人们享受更准确的导航服务。每当我们打开地图、“摇一摇”寻找身边的人，精确的秒定义都在发挥着作用。此外，交通、金融、电网、计算机网络、移动通信等领域的安全运行都依靠高精度的时间频率计量。
此外，精确地定义秒还关乎基础科学的发展。
“目前包括物理学研究在内的很多领域都亟待突破。而突破的发生，需要科学上或技术上其他的突破来带动。时间频率目前是人类能够测量的最准确的物理量，可以说时间频率测量能力的提升，将会带动多个研究领域的进步。”林弋戈说。
例如，秒的精确定义和测量可以帮助科学家更深入地研究宇宙中的暗物质，了解发生在遥远太空中的由更小的天体并合所产生的极微弱的引力波等。
“参与到国际秒定义变更中，对国家而言也意义深远。”常宏说。
2022年，第二十七届国际计量大会通过“关于秒的未来重新定义”的决议——利用光钟实现时间单位秒的重新定义。该决议计划在2026年国际计量大会上提出关于秒的重新定义的建议，并在2030年第二十九届国际计量大会上做出最终决定。
“我国需要让更多自己研制的光钟参与到这一工作中，在未来时间单位秒定义变更时确保我国有更多的话语权，维护国家权益。”常宏说。
“我国一直在进行光钟的研究，是为了能够在秒定义的过程中作出贡献，推动科学的发展，并且在未来独立自主地复现秒定义，这一工作不仅体现了我国较高的科研水平，还能够长期、自主地保持中国标准时间的准确、稳定。”林弋戈说。
（据《科技日报》，有删节）
