對(duì)于人們的日常生活而言，秒的精確定義將讓人們享受更準(zhǔn)確的導(dǎo)航服務(wù)。每當(dāng)我們打開地圖、“搖一搖”尋找身邊的人，精確的秒定義都在發(fā)揮著作用。此外，交通、金融、電網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的安全運(yùn)行都依靠高精度的時(shí)間頻率計(jì)量。

你有沒有想過，1秒是多久？

是時(shí)鐘的一次嘀嗒聲，人們的一次眨眼，還是數(shù)到“1”的所用的時(shí)間？這一問題看似容易，其實(shí)并不簡(jiǎn)單。為了更精確地定義秒，全世界的科學(xué)家已經(jīng)努力了多年。

近日，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心（以下簡(jiǎn)稱國家授時(shí)中心）的鍶原子光晶格鐘的相關(guān)研究取得了重要進(jìn)展。國家授時(shí)中心研制出了鍶光鐘，并通過守時(shí)氫鐘溯源至國際原子時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)行時(shí)間單位秒定義下的鍶光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量，相關(guān)研究成果發(fā)表于《計(jì)量學(xué)》。

重新定義“1秒”：從天文秒到原子秒

我們可以通過運(yùn)動(dòng)來計(jì)量時(shí)間，有規(guī)律的、能夠重復(fù)的周期現(xiàn)象是人們計(jì)量時(shí)間的重要工具。

曾經(jīng)，我們依賴觀測(cè)天體運(yùn)動(dòng)定義秒。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，日月輪換、晝夜交替具有規(guī)律性，因此便以地球的周期運(yùn)動(dòng)來定義秒，從而有了我們熟知的一年大約365日，1日24小時(shí)，每小時(shí)60分鐘，每分鐘60秒，總計(jì)一天86400秒。

但由于地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度并不均勻，于是，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)到了微觀層面，尋找更精確穩(wěn)定的周期來確定一秒有多長(zhǎng)。

“科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，微觀量子世界的一些參數(shù)比天體運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。1967年，國際單位制以銫-133原子的能級(jí)躍遷為基礎(chǔ)，重新定義了秒，也即原子秒。”中國計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱中國計(jì)量院）研究員林弋戈說。

林弋戈告訴記者，原子的能級(jí)躍遷就是指原子從一種能量狀態(tài)到另一種能量狀態(tài)。在這一過程中，原子發(fā)射出的電磁波頻率非常穩(wěn)定，因此可以采用某些原子的躍遷頻率作為時(shí)間的計(jì)量基準(zhǔn)，從而建立原子鐘。

終于，1967年，第十三屆國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）決定，將秒的定義從天文秒改為原子秒，將銫-133原子無干擾的基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間定為1秒。也就是說，將銫-133原子發(fā)出的輻射振動(dòng)9192631770次所持續(xù)的時(shí)間定為1秒。

鍶光鐘數(shù)據(jù)獲得國際認(rèn)可

國家授時(shí)中心研究員常宏告訴記者，根據(jù)輸出頻率的范圍不同，原子鐘可以分為微波鐘與光鐘。

以原子的微波波段共振頻率作為時(shí)間頻率基準(zhǔn)的原子鐘就是微波鐘，而以原子的光學(xué)波段共振頻率作為時(shí)間頻率基準(zhǔn)的原子鐘則被稱為光鐘。

據(jù)了解，光鐘的工作頻段比微波鐘的工作頻段高4到5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此光鐘可以達(dá)到比微波鐘更高的精度。

近日，國家授時(shí)中心完成了對(duì)其研制的鍶原子光鐘性能的評(píng)估確認(rèn)，并在現(xiàn)行時(shí)間單位秒定義下對(duì)鍶原子光鐘的絕對(duì)頻率進(jìn)行了測(cè)量。

這一步驟完成后，國家授時(shí)中心鍶原子光鐘的相關(guān)數(shù)據(jù)將作為重要的參考值上報(bào)給國際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)頻率標(biāo)準(zhǔn)工作組，成為鍶光鐘頻率國際推薦值計(jì)算所需要的源數(shù)據(jù)。

“在我們的鍶原子光鐘研制完成后，需要將其數(shù)據(jù)納入現(xiàn)行秒定義框架之下進(jìn)行頻率測(cè)量，來確保未來時(shí)間單位秒基于光鐘重新定義時(shí)，量值保持連續(xù)。此次發(fā)表于《計(jì)量學(xué)》上的成果，代表著國際上認(rèn)可了我們的鍶光鐘的評(píng)估和測(cè)量數(shù)據(jù)。”常宏說。

這一成果的第一作者、國家授時(shí)中心盧曉同博士告訴記者，完成現(xiàn)行時(shí)間單位秒定義下的鍶光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量，主要包括兩個(gè)方面的技術(shù)探索。第一是鍶光鐘的實(shí)現(xiàn)，第二是如何將鍶光鐘輸出的光頻信號(hào)溯源至現(xiàn)行秒定義。

“研究的過程比較艱辛。”常宏說，“從研制鍶光鐘，到完成‘評(píng)估與認(rèn)可’，國家授時(shí)中心一共花了15年。”

“光鐘的研制對(duì)于國家授時(shí)中心而言是全新的領(lǐng)域，需要非常多的專業(yè)知識(shí)，例如原子物理、激光技術(shù)、電子線路等，這些都需要知識(shí)的積累與時(shí)間的沉淀。”常宏說。