终于“1秒”要更新了吗？光原子钟将改写世界时间的日子

终于“1秒”要更新了吗？光原子钟将改写世界时间的日子

1秒已经不再仅仅依赖“铯”了吗？

我们每天都在不假思索地使用时间。智能手机的时钟、交通和广播的同步、金融交易的时间戳，以及卫星定位。然而，这种“理所当然的准确性”是建立在看不见的时间基础设施之上的。


这种时间基础设施可能在不久的将来迎来“标准的主角更替”。处于话题中心的是利用“光”的下一代原子钟——光原子钟（光学原子钟）。


此次Phys.org的文章介绍了光原子钟正在接近替换“1秒定义”的阶段，并且其应用已经超越了时间测量的现状，文章以评论论文为中心进行了介绍。


原子钟正在“计数原子的反应”

原子钟的原理简而言之就是“在特定条件下，计数原子表现出的惊人稳定的反应（跃迁）”。目前的“1秒”是通过铯133原子的微波跃迁来定义的。这是长期以来支撑科学技术基础的“强标准”。


然而，光原子钟使用更高频率区域——即光的区域——的跃迁。频率越高，同样的1秒中就会有更细致的“刻度”。可以比喻为，从粗糙刻度的尺子换成极细刻度的尺子。提高精度的路径在原理层面上已经准备好了。


文章中解释说，光原子钟由激光冷却的离子或原子构成，通过激光反复探测，利用“仅对该频率反应”的特性，创造出精确的“时间刻度”。


从“实验室的怪物”到“可以带到现场的设备”

提到光原子钟，人们往往会联想到巨大的光学桌、真空设备、复杂的激光系统——这样的“实验室怪物”。但文章强调的是，光原子钟已经开始“走出实验室”。


合作研究团队包括阿德莱德大学、国家标准与技术研究院（NIST）、国家物理实验室（NPL），他们表示光原子钟比传统的微波原子钟更高精度，并且“在实验室外也能运作”。


这种“走出去”的趋势不仅仅是小型化的问题。要将时间标准重新定义为世界标准，仅仅在实验室中短暂达到最佳性能是不够的。必须能够持续运作、进行比较、维护和供应——也就是说，需要作为社会基础设施的组成部分存在。文章提到的挑战是“连续运作（大多是间歇性运作）”“比较和共识”“零部件供应链不成熟（高成本）”，这是必然的。


“秒”的重新定义不仅仅取决于技术

文章传达了光原子钟的显著进步，如果条件成熟，“将在数年内成为金标准”的势头。另一方面，国际“定义”的更新则在另一个时间轴上进行。


负责管理“秒”的框架方面，国际计量局（BIPM）的路线图和共识正在推进。FAQ中整理了与国际计量大会（CGPM）会议周期相关的“最早2026年提出建议、最早2030年批准（新定义的成立）”。
此外，路线图页面也明确指出“可能在2030年”，显示出以长时间过程进行更新的姿态。


这正是有趣的地方。技术正在接近“可以做到”，但国际标准在社会实施的条件——连续运作、相互比较、全球各地的推广、法律制度和利益相关者的解释——齐备之前不会改变。也就是说，“秒的重新定义”是科学技术与社会制度正面冲突的一种更新。


不仅仅是测量时间：通过“时钟的进度”读取重力

光原子钟的有趣之处在于，它不再仅仅是时间的装置。


根据广义相对论，重力越强，时间就会稍微变慢。那么，如果比较极其精密的时钟，就可以将各地的重力势差作为“时间的偏差”来测量。文章提到，这一特性可能有助于创建“非海平面基准的国际高度基准”。


在大地测量和地球观测的世界中，海拔和基准面的协调是现实的问题，如果接近“用时钟测量高度”的水平，甚至可能改变地图和基础设施管理的理念。


成为暗物质等“基础物理”的验证器

文章还提到，光原子钟有助于验证暗物质等基础物理。
通过比较多种时钟，如果基本常数出现微小波动的现象，可能会作为频率比的变化出现。也就是说，光原子钟不仅是“时间分发的装置”，也正在成为“探索宇宙的观测器”。


作为卫星故障的“保险”的时间

我们日常接收到的准确时间也在很大程度上依赖于卫星（定位）。文章提到，当太阳风暴等导致卫星故障或恶意攻击使卫星基础设施动摇时，光原子钟可能成为地面“时间的备份”。


这其中有着不仅是实验室的梦想，而是作为现实风险管理的价值。

文章还提到商业化的动向，提到像QuantX Labs这样的衍生企业。
精密时钟从“国家研究的象征”转变为“产业的部件”的迹象可能会进一步加速普及的速度。


仍然存在的难题：“用哪个时钟来决定秒”

无论光原子钟多么优秀，“秒的定义”必须确定为一个。文章提出了重新定义的方式，讨论了“是用单一的光原子钟（单一类型、单一跃迁）还是用多种方式的‘组’（集合）”，并指出需要直接比较。


这一论点在BIPM的FAQ中也被整理为选项，“将单一跃迁作为定义常数的方案”和“将多种光学跃迁的加权平均作为定义的方案”。


单一方式容易简化操作，但对该方式的依赖较强。多种方式提高了稳健性，但共识和操作变得困难。无论选择哪种方式，都必须完成能够在全球范围内分发“相同秒”的机制才有意义。


SNS的反应：热烈的“专家”、困惑的“一般人”、关注的“基础设施视角”

围绕这篇文章的话题在SNS上也有几个层次的反应。

1) 研究与测量社区（LinkedIn）

LinkedIn上，研究机构账户介绍说“光原子钟将在不久的将来重新定义世界的‘1秒’”，并在“可在现场使用”的小型化和坚固化的背景下进行讨论。从实验室到现实世界的信息很强烈。
同类帖子中也出现了“过于精密的时钟将时间本身变成科学工具”这样的表达，对重力和基础物理的应用寄予厚望。

2) 技术人员社区（Hacker News）

Hacker News上，实施和运作方面的疑问较为突出。
例如，从“那是‘时钟’还是‘时钟信号（时钟）’？”这个问题开始，光钟单体难以持续输出信号，激光和频率梳，以及冗余化（多台运作）在现实的时刻生成中发挥作用——这样的技术性解释被讨论。
一般面向的文章中常被省略的“连续运作的困难”作为社区的关注点被突出显示，给人留下深刻印象。

3) 一般层（SNS整体氛围）

另一方面，一般层的反应大致分为两种。

  • “这种精度，日常需要吗？”

  • “但在GPS或金融、通信的背后似乎很重要”


这种温差是自然的。时钟越好，日常生活中越难察觉到差异。因此，“秒的重新定义”成为同时承载浪漫和实际利益的新闻。对于研究人员来说，这是改变世界的事件，但对于许多人来说，容易变成“那么，改变了什么？”


然而，改变的不是智能手机的显示，而是社会的底力。定位、通信、电力、金融、科学观测——“同步”是命脉的领域，时间的精度静静地发挥作用。


我们不会注意到“秒改变的那一天”。但世界确实在改变

自1967年通过铯定义以来的“秒”，半个多世纪以来一直是文明的脊梁。现在，正试图将这根脊梁替换为光。


这不仅仅是钟表的改进。也是改写世界共享规则，同时获得探索重力和宇宙之谜的测量能力。


下次“秒”更新的那一天，我们的时钟将继续正常运转。然而，在背后，人类又向成为能够“测量”自然的存在迈进了一步。


出处URL

相关文章