世界上最精确的时钟，能有多准？
一项新发表于《自然》的研究给出了一个惊人的答案：研究人员利用稀土元素镥（Lu）打造的全新光学原子钟，需要运行超过2600亿年，才可能累积出1秒的误差。
研究团队表示，新的镥原子钟是在室温条件下运行的，其性能已经超过此前由其他元素构建的纪录保持者，成为目前世界上最准确的时钟，其准确度约为此前最佳纪录的4倍。此前的纪录是由一种基于钙离子的原子钟保持。
如此高精度的时钟不仅有望进一步提升国际计时的水平，还可以用于基础物理的精密检验，例如检验洛伦兹不变性和广义相对论、搜寻暗物质，以及寻找基本常数是否发生变化的迹象。
将计时精度推向极限
原子钟是利用原子跃迁对应的特定频率来计时的。每当电子在原子内部的不同能级之间发生跃迁时，它都会以一个特定频率吸收或发射光。由于这一频率主要由原子本身的能级结构决定，因此可以作为极其稳定的计时基准。
这种计时方法已经沿用了数十年。自20世纪60年代以来，铯原子一直是全球时间标准的基础。铯原子钟利用的是微波频率的原子跃迁。如今，铯原子钟不仅支撑着全球定位系统（GPS），还被用于通信和交通网络的时间同步。
不过，科学家一直在尝试将计时精度进一步推向极限。其中一个重要方向，就是利用频率远高于微波的光学跃迁来计时。在光学原子钟中，研究人员利用原子的光学响应判断激光频率是否与这一跃迁频率匹配，并通过反馈不断调整激光频率，最终将其锁定到这一“钟跃迁”对应的频率上。此后，激光稳定而快速的振荡就像摆钟的一次次摆动，可以被用来计量时间。
近年来刷新纪录的镱、锶和铝等光学原子钟，所采用的钟跃迁频率就高于铯原子钟所使用的微波跃迁频率，因此能够提供更加精细的时间“刻度”，为实现更高精度的计时提供条件。
负责国际时间标准的机构目前正在评估这类新型光学原子钟的数据，为预计将在2030年或之后进行的“秒”的重新定义做准备。
两台镥原子钟
十多年前，研究人员就开始研究镥。他们认为，这种元素可能具备成为顶尖原子钟候选者所需要的性质：它的钟跃迁对温度和磁场变化并不敏感。相比之下，对于其他一些元素的原子钟而言，这些环境因素会使钟跃迁频率发生细微变化，从而影响计时的准确度。
在这项研究中，镥原子钟的核心是一个带电的镥离子。研究人员利用波长为848纳米的激光探测镥离子的钟跃迁，并以其对应的频率作为计时基准。
经过全面评估，研究团队已经把镥原子钟的相对频率不确定度降低到接近1×10⁻¹⁹，这是迄今光学原子钟所报告的最低水平。
但这里还有一个问题：如果只有一台钟，怎么知道它真的这么准？
为此，研究团队构建了两套彼此独立的镥离子原子钟，并让它们直接相互比较。他们采用一种称为关联光谱学的技术，对两台钟进行了超过200小时的比较。结果显示，两台钟的“滴答”在5.7×10⁻¹⁹的水平上彼此一致。
这是迄今为止最精确的原子钟比较。随着进一步增加测量数据，这一不确定度还有可能继续降低。
走出实验室
精度更高的原子钟不仅可以用于探索基础物理中的未知问题，还可能成为未来重新定义“秒”的基础。不过，要真正承担这一任务，仅仅达到足够高的准确度还不够，还必须通过不同原子钟之间的比较，证明这种准确度具有一致性和可重复性。
研究团队下一步希望将镥原子钟与世界上其他最先进的原子钟进行比较。但当精度达10⁻¹⁹量级时，原子钟已经灵敏到能够感受到由毫米级高度差引起的引力时间变慢效应。
事实上，研究团队的比较测量，甚至可以分辨同一张桌子上两台原子钟之间约5毫米的高度差。为了避免这一因素限制测量精度，研究人员还独立测量了两个镥离子的高度差，并将其确定到了亚毫米水平。但如果两台钟位于不同实验室、甚至不同地区，问题会更加复杂。因为目前人们对地球不同地点之间引力场差异的认识，还不足以支持10⁻¹⁹精度水平的直接比较。
这也意味着，如果想开展更广泛的原子钟比较，并探索未来的实际应用，镥原子钟最终还需要真正走出实验室。研究团队的下一步计划，是将目前实验室规模的装置进一步小型化，开发成可以运输的系统。他们预计，这一过程可以在不牺牲准确度的前提下完成。
#参考来源：
https://news.nus.edu.sg/worlds-most-accurate-atomic-clock/
https://www.nature.com/articles/s41586-026-11072-8
https://www.nature.com/articles/d41586-026-03019-w
#图片来源：
封面及首图:Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore
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