更精確的秒，更同步的世界時(shí)：日意用宇宙信號(hào)比較兩地...

一秒鐘的官方定義是什么？乍一眼看上去可能一頭霧水：無(wú)干擾情況下銫 133 原子（133Cs）基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)輻射的 9192631770 個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間。

但即使是如此精密復(fù)雜的定義，在新一代原子鐘的技術(shù)進(jìn)步面前也不斷受到?jīng)_擊。目前,銫原子鐘能把8000萬(wàn)年的誤差控制在1秒內(nèi),而鍶原子鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度已提高了4-5個(gè)數(shù)量級(jí)。為了迎接更精確“秒”定義的到來(lái)，我們還需要更精確的手段對(duì)全世界的時(shí)鐘進(jìn)行同步。

來(lái)自日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所（NICT）、意大利國(guó)家計(jì)量研究所（INRIM）等機(jī)構(gòu)的33位天文學(xué)家和時(shí)鐘專家首次利用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)遙遠(yuǎn)的恒星，將不同大陸上相距8700公里的光學(xué)原子鐘連接起來(lái)，提出了一種維持全球時(shí)間同步的新方法。相關(guān)論文近日發(fā)表《自然·物理學(xué)》（Nature Physics）雜志上。

INRIM量子計(jì)量和納米技術(shù)部分負(fù)責(zé)人Davide Calonico表示：“目前，新一代光學(xué)原子鐘正在推動(dòng)大家重新審視秒的定義。這條路必須面臨的挑戰(zhàn)是，在洲際尺度上更好地比較全球時(shí)鐘。”

射電望遠(yuǎn)鏡與原子鐘

我們都知道，一天有24小時(shí)，一小時(shí)有60分鐘，一分鐘有60秒。但在現(xiàn)實(shí)操作上可沒(méi)那么簡(jiǎn)單，地球的自轉(zhuǎn)速度并不像我們想的那樣一板一眼、節(jié)奏均勻。因此，人們逐漸把時(shí)間這個(gè)概念和頻率聯(lián)系在一起。1660年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提出，在地面表面，擺長(zhǎng)1米的單擺一次擺動(dòng)的時(shí)間約為1秒。

到了石英鐘時(shí)代，鐘內(nèi)部有一個(gè)可以輸出特定頻率信號(hào)的石英晶振，也可以說(shuō)這個(gè)晶振每秒鐘會(huì)產(chǎn)生特定次脈沖。所以數(shù)特定次脈沖，就算過(guò)了一秒鐘。

如此，我們?cè)賮?lái)看一遍原子鐘時(shí)代的一秒鐘的定義。銫 133 原子在吸收特定頻率的能量之后，就會(huì)從某一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。這個(gè)特定的頻率，就是一秒鐘“擺動(dòng)”9192631770次。

從這個(gè)定義，我們也可以知道我們探測(cè)的頻率越高的話，得到的“秒”會(huì)更精確。隨著原子鐘從微波頻率進(jìn)入到光學(xué)頻率，精度已經(jīng)提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

單個(gè)鐘是越來(lái)越準(zhǔn)了，那如何保證世界各地的時(shí)鐘都“同步”地準(zhǔn)呢？

相比起突飛猛進(jìn)的原子鐘來(lái)，用以比較不同地區(qū)的原子鐘、從而計(jì)算得出民用國(guó)際時(shí)間UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）的衛(wèi)星鏈路卻顯得跟不上了。法國(guó)國(guó)際計(jì)量局時(shí)間部門(mén)的物理學(xué)家Gérard Petit表示，要充分利用光學(xué)原子鐘來(lái)生成協(xié)調(diào)世界時(shí)，必須改進(jìn)全球時(shí)鐘的比較方法。

在這項(xiàng)新研究中，高能的銀河系外射電源取代了衛(wèi)星鏈路，作為參考信號(hào)。這些信號(hào)來(lái)自于數(shù)十億光年之外的類(lèi)星體，由重達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞驅(qū)動(dòng)，從地球上看可以視作天空中的固定點(diǎn)。

為此，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)部署了兩臺(tái)特殊的射電望遠(yuǎn)鏡，分別部署在日本和意大利，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)保證兩者接收到的頻率信號(hào)之間的相位一致同步，從而將日本和意大利的兩個(gè)光學(xué)原子鐘實(shí)現(xiàn)連接。

值得一提的是，這兩個(gè)原子鐘的原子種類(lèi)都不是銫。日本使用的是鍶，意大利使用的是鐿。它們都是未來(lái)國(guó)際單位制用以重新定義“秒”的候選原子。要知道，鍶、鐿原子的躍遷頻率比銫 133要高上3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，在新一代冷原子和光學(xué)操縱技術(shù)的加持下，光鐘的精確度也大幅提高。

研究使用的射電望遠(yuǎn)鏡天線盤(pán)直徑僅為2.4米，便于運(yùn)輸。NICT的SEKIDO Mamoru團(tuán)隊(duì)想借用這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明寬帶甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量不僅在地測(cè)和天文學(xué)方面十分有用，也在計(jì)量學(xué)上大有潛力。“在國(guó)際計(jì)量學(xué)界和地測(cè)學(xué)界的合作下，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)由甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量連接的全球光鐘網(wǎng)絡(luò)。”

當(dāng)然，這樣精準(zhǔn)的一秒鐘對(duì)于上班打卡沒(méi)有什么意義，但在軍事、航天等領(lǐng)域富有價(jià)值。此外，這種全球基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也是研究基礎(chǔ)物理和廣義相對(duì)論的新工具，將助力探索地球引力場(chǎng)、甚至是物理基本常數(shù)的變化。澎湃新聞