步漫竹海

科學家正視圖尋找測量時間的更準確方法。最近由美國國家標準與技術研究院（NIST）開展的測試中，實驗性原子鐘在三個指標上刷新了歷史性能記錄，意味著可以幫助人類更精準地測量地球的引力，以及檢測難以捉摸的暗物質。

NIST時鐘由1000個鐿原子（ytterbium atoms）組成，懸浮在激光束網格中。這些激光每秒“滴答”數萬億次，並反過來讓這些原子像節拍器一樣在兩個能量級別上來回閃爍。通過對這些原子的測量可確保原子鐘時間的精準性，在某些情況下每3億年誤差1秒鐘。

但這種誤差仍有改善的空間。NIST通過為這些設備增加熱屏蔽和電屏蔽。通過對比兩個實驗性原子鐘，NIST科學家發現這些設備在系統不確定性（systematic uncertainty）、穩定性（stability）和可重複性（reproducibility）三個指標中達到新的記錄。

系統不確定性指的是時鐘的刻度與其內部原子的自然振動的匹配程度。根據團隊的說法，原子鐘在一個五分之一的誤差範圍內是正確的（10的18次方）。穩定性衡量時鐘嘀嗒聲隨時間變化的程度。在這種情況下，NIST時鐘在一天中在1019（10的19次方）中穩定在3.2個部分內。最後，通過比較兩個原子鐘保持同步的程度來衡量可重複性。檢查兩個時鐘10次，團隊發現他們的滴答頻率差異在幾分之內。

精準度的新高度，意味著原子鐘可以幫助我們比以往更精確地測量重力。由於目前已知的重力會扭曲時間的流逝（在太空中的原子鐘速度要比地面慢），因此全新的原子鐘可以通過測量時間來反向測量重力。

此外更精準的原子鐘還能幫助測量地球的引力形狀，精確到1釐米範圍以內，比當前最好技術精確數倍。原子鐘還可以幫助探測引力波，引力波是由宇宙大災變引起的時空結構中的漣漪。它們甚至可以幫助尋找暗物質，而暗物質迄今僅通過其引力相互作用而聞名。

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原子鐘以原子能級之間的躍遷作為標準來衡量。根據量子力學，原子核外的電子會按照能級排列，即電子不同軌道和自旋角動量的波函數按照薛定諤方程會呈現能量不同的分佈狀態。一個原子最外層那個電子最容易發生躍遷，一般是基態到第一激發態的躍遷。根據海森堡不確定關係，基態的壽命是（幾乎）無限長的，所以能級寬度幾乎無限窄。但是激發態的壽命是有限的，因為會受到光場（電磁場）的真空態擾動產生自發輻射，所以能級寬度是有限的。這個能級寬度決定了原子鐘有多準。

舉例來說，如果激發態能級寬度有1kHz*h，而它距離基態的能量差有1GHz*h，h為普朗克常數，那麼用這個能級做原子鐘只能做到10的負6。兩種辦法可以提高原子鐘精度，一個是尋找更窄的能級寬度，另一個是尋找距離基態能量差更大的激發態。

目前廣泛使用的銫種，氫鍾就是微波原子鐘，其激發態距離基態能量差都在GHz*h量級，但是激發態壽命很長，可以看做另一個基態，寬度很小，所以這些鐘的精度可以做到10的負15，再小就會受到微波器件本身限制無法突破了。

所以目前全世界原子鐘的研究熱點是光鍾，也就是把這個能量差提高到可見光頻率*h，可見光頻率在10的15次方Hz量級，而選取的激發態能級可以到mHz量級，所以躍遷頻率的精度可以做到10的負18次方量級。把一個窄線寬激光鎖在這個躍遷頻率上，就可以讓輸出的激光頻率不確定度到10的負18次方水平，通過光頻梳手段（2005年諾貝爾物理學獎成果）轉換成時間，就是一秒鐘只差10的負18次方秒，即10的18次方秒只差1秒。而宇宙的年齡約138億年，只有約10的17次方秒。也就是整個宇宙年齡只差0.1秒的精度。2014年美國JILA實驗室的葉軍小組已經做到了這個精度。

九維空間

原子鐘是通過特定原子的核外電子能級躍遷時所吸收和釋放的電磁波頻率振動週期來計量時間的。

由於原子核外電子的不同排布，不同能級軌道間的能量差不同，電子在不同能級軌道間躍遷所吸收和釋放的電磁波頻率也不同，但是同一種原子在同一能級軌道間躍遷產生的電磁波頻率是固定的。因此，人們可以選擇特定原子的一個超精細能級

當使之通過與其共振頻率接近的振盪電磁場，原子就會吸收電磁場的能量，完成超精細能級的躍遷。振盪電磁場的振盪頻率與原子共振頻率越接近，就會有越多的原子產生躍遷，通過通過精密調整振盪電磁場的頻率使之與原子共振頻率完全相同，即可讓所有原子完成躍遷，而此時產生該振盪電磁場的振盪器即可作為計數器，得到該原子的振動週期，也就是該原子的共振頻率。而這個該原子的共振頻率是固定的，也就可以作為時間計量的刻度。

比如目前國際通用的銫原子鐘所使用的銫同位素銫133的共振頻率是9192631770Hz，也就是每秒振動9192631770次，所以銫原子鐘就是以計數器記錄振動9192631770次作為1秒。目前世界各國主要都是通過銫原子鐘所得到的時間作為標準時間。

而在實驗室裡，這個時間計量精度在不斷刷新。比如2008年的鍶原子鐘，使用鍶87，共振頻率達到429228004229873Hz。到2013年，鐿元素製造的鐿原子鐘被製造出來，每秒振動518萬億次，比之前的鍶原子鐘還要高，報道中聲稱精度達到宇宙誕生至今誤差不超過1秒。。。。

為什麼更高的頻率更高的振動週期能得到更精確的時間？其實原因很簡單，就像你拿著一把毫米刻度的直尺跟一把釐米刻度的直尺去計量長度，哪個準？當你用這兩把直尺測量到的一個物體長度得到的數值乘上一定數量後，兩者的誤差就會非常明顯了。不斷刷新精度的原子鐘就是通過提高振動週期，讓用來計量1秒的時間刻度更多，刻度越多計量自然就越精確。

星宇飄零2099

這個問題其實是非常重要的，為什麼就沒有人來討論呢？

我知道，物理學中規定的標準時鍾，是銫原子的週期性振動，現在有沒有新的規定我不清楚。那麼，問題來了，為什麼銫原子鐘就一定比其它種類的鐘更準確？或者，如題主所問，為什麼“鐿原子光晶格鍾”就一定比其它鍾更精確？我們是怎麼衡量它的精度的？它的精度是與誰比較，以誰為基準測量出來的？有比這個鐿原子鐘更精確的鐘嗎？如果有，我們憑什麼說它更精確？

我認為，究竟那個時鐘是我們的標準時鍾，完全是我們的人為規定，我們規定它是標準，它就是最標準的，它的標準性，沒有原因，沒有理由，完全是我們人為的賦予它的。否則，你說你有一個比這個規定的標準時鍾更標準的鐘，這個標準時鍾測量的時間有問題，請問，你憑什麼說你的這隻鍾更標準？為什麼有問題的不是你這隻鍾？

實際上，現在物理學上的標準時鍾，那個標準的銫原子鐘，標準的時間單位，秒，就是物理學家們在一次國際物理會議上人為規定的。物理學家們人為的規定，銫原子的週期性振動，在規定的振動次數內所持續的時間，就是1s。具體的規定，感興趣者可以百度一下。

同樣，物理學中的標準直尺，也是人為規定的。這個標準直尺原來規定為保存在大英皇家天文臺一個恆溫恆溼箱中的，由鉑金製成的“米原尺”，它的長度，就是標準的1m。

我們規定了那個銫原子的振動為標準時鍾，那這個銫原子振動的等週期性，它每次振動所用的時間完全相同，就不是測量出來的，而是我們人為的規定。我們規定了那個米原尺為標準直尺，那這個米原尺的長度恆定不變，也就不是測量出來的，而是我們人為的規定。現在，物理學家們已經拋棄了那根鉑金製成的標準直尺（可惜我沒有撿到），將標準的1m更改規定為，光線在給定的時間內所傳輸的距離，此時，我們就不能說，光速恆定不變是測量出來的，而只能說，光速恆定不變是我們人為的規定，我們通過人為的規定了光速恆定不變，從而人為的規定了我們測量長度的標準直尺。

既然標準直尺和標準時鍾是人為規定的，那麼，我們能不能另外規定一個過程作為標準時鍾，另外規定一個物體的長度作為標準直尺呢？我找不到我們不能另外進行規定的任何理由。

但是，我們另外規定的標準時鍾，用我們現有的標準時鍾來測量，也許不是等週期的，我們另外規定的標準直尺，用我們現有的標準直尺測量，也許它的長度在不斷的變化著。用原標準測量出的靜止或不變，用新標準測量，可能就是運動和變化，甚至，原標準測量出的有限，用新標準測量可能就是無限。顯然，規定了不同的時間和空間測量標準，我們就會獲得完全不同的物理規律。物理規律也是相對的，是相對於我們人為規定的時空測量標準而言的。

但為什麼我們會認為時空的測量結果，一個物體的長度究竟有沒有變化，一個物體究竟有沒有在運動，似乎是絕對的呢？顯然，我們手中沒有拿直尺和時鐘，我們也能感知到這個物體究其有沒有在運動，它的長度究竟有沒有在變化。也許，我們是以地面為測量的基準，為對比的基準，也許，我們身體自身就自帶了一套時間和空間的測量標準，在變化較為劇烈，或運動速度較大時，我們能用我們身體自帶的標準進行測量，從而形成了我們的直覺和常識，甚至以為時空是絕對的，歸納出一個絕對的時空觀。但我們又認為，我們身體自帶的那套時空測量標準不標準，特別是在變化和運動非常緩慢時，關於究竟有沒有變化或運動，不同的人可能就會有不同的測量結果，所以，我們才把我們身體之外的某個特定的物體和過程規定為我們的標準直尺和標準時鍾。但我們能說我們身體自帶的那套時空測量標準不標準嗎？

廣義相對論說，時空因物質能量的存在而彎曲。請問，彎曲的是不是參照系中的時空座標系？這個時空座標系是不是與標準直尺和標準時鍾等價？如果是，那時空彎曲是不是指標準時鍾和標準直尺發生了變化？我們如何測量標準時鍾和標準直尺的變化？難道說標準時鍾和標準直尺不是人為規定的嗎？

關鍵字: 科學 正視圖 原子鐘