《日本光晶格钟如何重新定义一秒，并打开现实应用》

导语

这篇文章介绍日本锶光晶格钟为什么被称为“终极时钟”。它不仅是重新定义“秒”的重要候选方案，也因为能用爱因斯坦广义相对论测出微小高度差，而可能进入火山地震监测、空间探索、全球定位、通信和自动驾驶等现实基础设施。

1. 从天体运动到铯原子钟：计时标准不断脱离日常直觉

古代人类依靠天体表观运动判断时间，把一天，也就是地球自转一周，分割成越来越小的单位，才产生了“秒”作为一天的一小部分的概念。但精密计时的发展要晚得多。

1.1 摆钟、石英钟和铯原子钟逐步提高精度

• 16 世纪，伽利略发现给定长度的钟摆会以恒定频率摆动，这为荷兰数学家和物理学家 Christiaan Huygens 发明摆钟铺路。大约同一时期，便携式发条钟也在发展。
• 后来，石英钟开启新的精密计时时代，它利用石英晶体通电后以恒定频率振荡的特性。今天一些高精度石英时计可以做到 100 年误差不超过 1 秒。

1.2 1967 年铯-133 原子钟重新定义了秒

• 20 世纪下半叶，原子钟成为下一次重大进步。原子钟利用某种原子在能级跃迁时吸收或发射电磁辐射的频率计时。
• 1967 年，铯-133 原子钟成为世界主要计时标准。此后，1 秒不再由地球运动定义，而是由使铯-133 激发的微波振荡 9,192,631,770 个周期定义。最先进铯装置的相对精度约为 1×10^-15，相当于 6000 万年只漂移 1 秒。

2. 光晶格钟用可见光和锶原子制造更细的时间标尺

光晶格钟是下一代原子钟，它用可见光实现令人难以置信的精度。可见光频率比微波高几个数量级，意味着每秒有更多周期，也就像一把刻度更细的尺。它还使用锶原子，锶的共振频率远高于铯。