随着科学家在六个国家以破纪录的精度比对时间，光学原子钟的性能已超越铯原子钟标准。

时间一直由铯原子的振动来定义。但随着现代物理学不断突破精密测量的极限，科学家们正着手改写规则。

上个月，来自欧洲和日本的69位科学家组成的团队完成了有史以来规模最大、协调性最强的一次光学原子钟比对。这使世界距离用一种精确得多的新标准来重新定义“秒”更近了一步。

这项历时45天、跨越芬兰、法国、德国、意大利、英国和日本六国的努力，通过卫星信号和超稳光纤连接将10台光学原子钟联网。

迈向新时代的滴答声

他们共同进行了38次频率比值测量，结果展现出前所未有的高度一致性。其中四次比较是首次直接进行，证明了未来建立全球光学时间尺度的可行性。

“这些测量提供了关键信息，告诉我们光学原子钟要达到用于国际时间计量所需的精度和可靠性，还需要做哪些工作，”意大利国家计量研究院（INRiM）的高级研究员马尔科·皮佐卡罗说。

“我们的实验还展示了如何将遍布欧洲的光学原子钟联网，以最先进的精度测量频率比值。这创建了一个分布式实验室，也可用于进行基础物理测试，例如搜寻暗物质或检验物理学基本规则。”

光学原子钟是先进的原子钟，它利用激光触发原子中精确的能量跃迁。这些跃迁发生在极其精确的频率上，充当标记时间的超稳定“滴答声”。

这些“滴答声”比目前用于定义协调世界时（UTC）的铯原子微波钟更为精确。

铯原子钟每1亿年可能偏差1秒，而当今最好的光学原子钟即使在数十亿年后也不会丢失或增加1秒。

由于不同的光学原子钟使用不同的原子，要充分发挥其潜力，就需要在极远距离上对它们进行比较，以确保一致性和准确性。

“同时比较多台时钟，并使用不止一种连接技术，所提供的信息远超过迄今为止主要进行的成对时钟比对，”芬兰VTT MIKES的高级科学家托马斯·林德瓦尔说。

“通过一套协调的测量方案，就有可能进行一致性检查，同时也提供更可信的结果。这些结果有助于确定在新的秒定义中应该使用哪台（或哪些）光学原子钟。”

科学同步秒

该项目依靠多种技术组合来实现跨国时钟联网。GPS卫星信号提供了全球连通性，但由于信号噪声、大气干扰和设备限制等因素，其精度有限。

为获得更高的精度，研究人员还采用了定制的光纤链路，使得测量精度比基于卫星的方法高出100倍。这些超稳连接被用于链接法国、德国和意大利的时钟。

此外，在英国和德国国内，同一机构内拥有多台时钟，研究人员使用了短程光纤进行比较，进一步降低了不确定性并提高了测量稳定性。

研究人员表示，该实验需要极其周密的规划，并且在数据分析阶段面临重大挑战。

“并非所有结果都符合我们的预期，我们在测量中观察到了一些不一致性，”英国国家物理实验室（NPL）的首席科学家雷切尔·戈顿说。

“然而，一次性比对如此多的时钟，并使用不止一种时钟连接技术，使我们更容易识别问题的根源。”

国际单位制（SI）中对秒的重新定义预计将在2030年完成。

该研究成果已发表在《光学》期刊上。

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