发布于 2020 年 12 月 30 日
Bluebacks 编辑部 Takao Nakakawa 的采访和文字
“遵守时间”是什么意思？
今年只剩下几天了，充满了冠状病毒的流行。
说到除夕传统，就是日本的除夕钟声，以及世界各地的新年倒计时。 2020年年底，当许多人因冠状病毒大流行的影响而在家庆祝时，这个时候将像往年一样到来。
日本的除夕钟声和世界各地的新年倒计时都是传统的新年活动
（图片由 gettyimages 提供）
顺便问一下，这个全世界用来庆祝新年的“时钟”到底是谁在设定的？并将其设置为“哪个时钟”？
为什么生活在这个地球上的所有人都同时共享相同的时间（尽管存在时差）？
Bluebacks探险队在思考这样的“时间”问题的同时，参观了产业技术综合研究所计量标准中心这里刚刚成功运行了一种被称为“光学晶格钟”的尖端时钟，它是世界上最稳定的。
“时间滴答”到底是什么意思？ ──时间标准研究小组我们询问了首席研究员 Takumi Kobayashi 和 Daisuke Akamatsu。两人都是年轻的物理学研究人员。
检查标准时间的时钟
参考时钟在哪里？
“我们每天使用的时钟是由每个国家/地区的标准时间决定的。每个国家都有自己的时钟来计时，甚至在日本，也有氢脉泽原子钟运行。”（小林先生）
Takumi Kobayashi，时间标准研究小组首席研究员
嗯？这不是光学晶格钟吗！？
“光学晶格钟目前正在开发中，用于检查下一代标准时间，并且仍在实验室中运行。
如果您的手表无人看管，时间会逐渐变得不准确。日本标准时间的存在就是为了纠正这种差异。
然而，严格来说，创造标准时间的氢脉泽原子钟逐渐出现故障。因此，需要一块手表来检查偏差。目前，这个角色是由铯原子钟扮演的。
光学晶格钟比铯原子钟更准确，各国竞相开发光学晶格钟，以重新定义秒。”（小林先生）
修正了每2亿年1秒的差异
我可以想象，如果标准时间被打乱，每个人都会遇到麻烦。但到底错了多少？
“据说检查世界标准时间的铯原子钟每 30 到 2 亿年会偏差约 1 秒。目前，精度为 10 的负 16 次方。光学晶格钟可以达到 10 的负 18 次方的精度，比这个高两个数量级。” （赤松先生）
Daisuke Akamatsu，时间标准研究小组首席研究员
让我们记住一下。
2019年修订1公斤的定义时，我采访了AIST的Takashi Usuda等人（文章）千克的定义发生了变化！终极精密测量创造科学“标准”> 参见）。当时，我认为之所以进行修订，是因为很明显，1 公斤重量的误差约为 5/100 百万。该精度为 10 的负 8 次方。
换句话说，时间标准已经比千克的定义精确了八个数量级。这种压倒性的精确度是时间测量的标志。在千克和米等标准单位中，时间的测量尤其精确。
让我们进一步完善它？嗯！
如何确定世界标准时间？
让我们换个角度，看看世界标准时间是如何确定的。是英国格林威治天文台决定的吗？
``我们使用卫星来设置每个国家的标准时间，通过与世界上的铯原子钟进行比较。在日本，我们也使用卫星来检查标准时间是否准确。
实际上，氢脉泽原子钟虽然不如铯原子钟精确，但也能计时，但它们是通过与高精度时钟（包括误差）进行比较来设置时间的。”（小林先生）
换句话说，通用标准时间是由“全球协议”创建的。过去，时间取决于天体的运动，但现在时钟是基于原子的振动而进步的，这比天体的运动更准确。之所以有时会加入闰秒，是为了使其与天体保持一致。
1956 年之前，一秒是根据地球自转来定义的（1 秒 = 1/86,400 天）。该精度约为 10 的负 8 次方。接下来，根据地球绕太阳公转（1秒=1/315,569,259,747年）重新定义一秒，精度提高到10位数字。
从 1967 年开始，一秒是由铯 133 原子的独特振动定义的，在接下来的 50 年里，原子钟的精度得到了提高，最终达到了 16 位数字。
“原理和以前一样。摆钟每秒计算一次振荡次数，时钟就会前进。在原子钟中，铯原子具有与某种电磁波相互作用的特性，这就是用来计算振荡次数的。如果我们把一定的振荡次数定义为一秒，那么振动更精细的原子就是更准确的时钟。” （赤松先生）
精度这么高有什么用？
但是为什么如此高精度的时钟首先需要变得更加精确呢？
“其实，当我们采用铯原子钟时，他们也说了同样的话。那么高精度有什么用呢？
最初，时钟能够与天体运动同步测量时间就足够了。然而，随着更精确的时钟的诞生，新技术也被开发出来。例如，汽车导航系统可以准确测量位置信息，因为人造卫星上安装了铯原子钟。如果没有铯原子钟，就不可能在地面上达到几十厘米的精度。
借助安装在人造卫星上的铯原子钟，汽车导航系统可以准确测量位置信息
（Adobe Stock 拍摄）
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那么，什么是光学晶格钟？
这个精度比铯原子钟高两位数的“光晶格钟”是什么时钟？
“光学晶格时钟的原理由香取秀俊（现任东京大学教授）于2001年提出，并于2005年实现。AIST也在基于该技术进行实际应用的研究。
光=电磁波是电磁场的振动。光学晶格钟的基本思想是计算光的电磁场的频率。使用激光制备出格子状的“容器”，待测量的原子被隔离在那里，从而更容易测量振动频率。
Katori 的惊人之处在于，他通过一次将 1000 个原子放入网格状容器中来缩短测量时间。 “单离子钟是我们在时间标准竞赛中的竞争对手，但其效率低于光学晶格钟，因为它们实际上测量的是一种离子。” （赤松先生）
捕获在晶格状容器中飞来飞去的移动原子的关键是香取发现的“神奇波长”激光。
“正常情况下，如果你用几百毫瓦的激光照射原子，原子的状态应该会改变，但当你用魔法波长的激光照射它时，原子的状态不会受到影响。对于原子来说，它处于一种即使被困住也感觉不到任何东西的状态，而我们观察者可以在这段时间测量原子。” （赤松先生）
当我听完这个故事时，我开始想看看光学晶格时钟装置到底是什么样子。我可以看一下吗？
占据整个房间的巨型时钟
“该设备当前正在运行，请小心，”我被警告，当我看到它时，它比我想象的要大。
光晶格钟
房间里摆满了电子设备。哪个部分是时钟？
``这是 70m2，但这个房间里的整个设备是一个时钟。由于它仍然是基于实验，所以我们在制作时没有考虑尺寸。它比你戴在手腕上的手表要脆弱得多，甚至会受到振动和声音的影响。前几代手表只能持续两到三个小时。”（赤松先生）
什么？ 2-3小时后就会停止……？
“时钟本身几乎就像自制的时钟，因此存在机械怪癖。在克服这些问题的同时，我们成功实现了世界最高水平的稳定运行，从2019年10月到2020年3月的开工率超过80%。我们相信光学晶格时钟终于达到了可以实际使用的阶段。” （小林先生）
半夜醒来
这是一块相当困难的手表
“一开始，我只是在实验室里有人的时候才开始。反正它会立即停止。但实际上人们发出很大的噪音，甚至当我在看书时，如果我的脚碰到桌子它就会停止（笑）”（赤松先生）
极其敏感并受振动和声音影响
“在使其更加坚固之后，我能够看穿设备的怪癖，并能够长时间运行它。令人惊讶的是，我建立了一个系统，当它停止时，我会通过电子邮件通知相关人员。我回到家后就开始运行它，当它在半夜停止时，我收到一封电子邮件，离我最近的人去进行调整。我大约每周两次在半夜收到一封电子邮件（苦笑）。” （小林先生）
就像一个成长中的孩子，需要很多关注（笑）。
“我们还加入了自动恢复功能。不过，由于精度如此之高，需要人力才能将设备恢复到原来的位置。不过，当然，一旦返回，时钟就会保持准确的时间。” （赤松先生）
在2009年成功开发镱光学晶格钟并花了10年时间将其投入实际使用后，出现了修改时间单位秒的定义的运动。
激烈竞争“重新定义”第二
国际度量衡委员会正在努力将 1967 年制定的秒的定义从目前铯原子的频率差更改为基于光的频率差。这个想法是重新定义“一秒”，其精度比现在高两位数。
各种各样的研究人员正在相互竞争，为“那个时代”做准备。
“据信铯原子将无法达到更高的精度。因此，为了定义下一代秒，我们正在研究的光学晶格钟和它的竞争对手单离子原子钟正在竞争成为测量仪器的候选者。”（赤松先生）
先生小林（左）和赤松先生表示，他们希望制造一款成为世界标准的手表
“包括AIST在内的全球五个机构的光学晶格钟已获得委员会批准，具有核对世界标准时间的能力。作为其中之一，我们希望定期检查世界标准时间并展示光学晶格钟的优越性。”（小林先生）
您可以体验相对论
秒是迄今为止最准确的国际测量单位，例如千克、米和安培，但通过进一步提高其准确度，新的世界和技术正在开始出现。
香取秀俊教授的上述研究中，他根据爱因斯坦的广义相对论测量了单独放置的光学晶格钟之间的时间流差，该理论指出时间流的变化取决于重力。两个光学晶格钟垂直放置（一个在另一个之上）在地面上，受到地球重力的影响，以确认每个时钟的时间流动不同。在实验室层面，光学晶格钟可以测量小至 1 厘米的差异。
测量到时间的流动因重力而变化
（摄影：gettyimages）
这是一个令人惊讶的测量结果，但两人认为这正是这项研究如此有趣的原因。
“在物理量中，秒和频率是可以以最小误差测量的量。首先，这一点很有趣。对准确性的吸引力促使我进行了这项研究。” （赤松先生）
“没有其他任何东西可以以 18 位精度测量某些东西。光学晶格时钟也许能够验证基本物理常数是否真正恒定且不变。我觉得这很有趣。” （小林先生）
说实话，我们的手表不需要 18 位精度。最多，如果您经常查看智能手机时钟上的标准时间，您的日常生活就会准时。
但是，检查这些手表精度的手表需要更高一个数量级的精度。
此外，一个能够比日常生活中测量时间更精确的时钟将使我们能够以不同的方式测量时间。高精度测量具有这种可能性。