夜幕退去、黎明初現，我們睜開蒙眬的雙眼做的第一件事情是什么？相信大部分人一定是——看時間！
從每一個人的學習工作安排，到整個社會的有序運轉，時間對于我們實在太重要了。小學生學習寫作文后都知道，記敘文的基本要素有時間、地點、人物和事件。
時間是什么，又如何去測量和共享時間？對這些問題的探究貫穿整個人類文明史。春去秋來，物換星移，大自然的變化讓古人感受到了時間的存在，同時也意識到可以利用自然界中的這些周期現象來度量時間。人們曾用各種不同的方式去記錄時間的流逝。
時間的測量
“日出扶桑,入于咸池”，通過太陽的東升西落，我們知道了“一天”有多長；“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺”，通過月相變幻，我們定義了“一月”；“春生夏長，秋收冬藏”，四季循環讓我們感受到了“一年”。這些時間標準都是基于天體運動的周期，例如地球的自轉、公轉。單擺擺動、彈簧振動等等，它們也具有周期性，利用這些機械運動的周期，人們制造出機械鐘表來測量時間。還有物體在陽光下的投影、漏壺穩定的滴水，這些現象也都體現出了周期變化的性質，因此我們有了日晷、水鐘……原則上，任何周期性現象都可以作為我們的時間標準。
然而，地球的自轉公轉周期也存在不均勻，單擺的擺動避免不了摩擦等因素的影響，日晷、水鐘會受到環境濕度溫度的影響……這些因素都影響了時間測量的精確性，逐漸不能滿足人們如今對時間精度的要求。能否找到一個更穩定、更精確的周期現象，從而提升我們對時間的測量精度呢？
讓我們把目光從運轉有序的天體轉向神奇的量子世界。世界由微小的原子組成，每一個原子都可以看成是一個結構穩定的量子系統，在原子核的束縛之下，核外電子在特定的能級軌道上不斷演化、運動。
原子具有不同的能級，電子在兩個能級間發生躍遷時，會產生或吸收電磁波。量子理論則告訴我們，兩個能級的能量差決定了電磁波的頻率（能量差只需除去一個普朗克常量h，就是電磁波的頻率了）。原子的能級結構很穩定，與之相應的電磁波頻率也就是穩定的了。而所謂頻率，即是單位時間內的振動次數，知道了頻率，也就得到了時間。通常，我們把時間和頻率統稱為時頻。看！原子的性質給予了我們測量時間的一個新途徑。
除了穩定，另一個重要的事情是，原子的共振頻率很高，例如銫133原子基態的兩個超精細能級之間的躍遷頻率是9,192,631,770赫茲，也就是說，1秒鐘振動超過90億次。振動頻率越高，計時就會越精確，這就像測量長度的尺子，刻度越密，測量精度就越高。
基于以上事實，原子鐘誕生了。利用和原子的共振，我們可以制造出頻率高且穩定的振蕩器，進而去實現極高的時間測量精度。
正因為原子鐘的優異性能，在第13屆國際度量衡會議上，秒被重新定義了。秒由銫原子鐘來定義，從此，時間基準所依據的不再是天體規律，而是量子世界中原子的行為。銫原子鐘可以做到一億年只有1秒的誤差。
銫原子鐘的頻率在微波波段，現在科學家們又開發了鍶、鐿等新型原子鐘，它們的頻率要更高，在光學波段，因此被稱作“光學原子鐘”，簡稱“光鐘”。光鐘的測量精度現在已經可以做到千億億分之一，即10-19，在整個宇宙年齡的時間尺度上，誤差還不到1秒。
?。由除?制作）
時間的傳播
人們是如何不斷提升“鐘表”性能的，是一個激動人心的故事，但是到這里，故事還不完整。另一半故事是：我們還需要把精準的時間傳播出去。當想知道現在的時間時，你會怎么做？當然不是跑到量子實驗室去求助光鐘，你會看下電腦上的鐘表。我們電腦中有一個內置的計時鐘表，而為了校正不斷積累產生的計時誤差，每隔一段時間，通過網絡連接，它會和標準“北京時間”進行比對和同步。而北京時間基于的是國家授時中心的原子鐘時間。
精確的計時不應局限于高冷的實驗室，還要飛入尋常百姓家，因此，我們不僅要有最精確的原子鐘，還要有與之精度相匹配的時間傳遞技術。準確、穩定的時間基準和高精度的時頻傳遞，兩者同樣重要。
目前常用的時頻傳遞方式有微波和光纖。利用光纖，已經能實現精度很高的時間傳遞，可以滿足最精確光鐘的要求，但光纖有其局限性，例如一些偏遠地區還沒有鋪設光纖，也無法滿足海上導航和定位的需要；另外，要實現全球性的時頻傳遞網絡，我們也需要在自由空間傳輸的技術，例如微波傳輸技術。我們知道，微波的頻率要比可見光頻率低很多，這就像一把刻度疏松的尺子，在根本上限制了微波時間傳遞的精度。利用微波，無法滿足光鐘時間精度的傳遞需要。
光給予我們精度10-19的時間標準，如何實現精度10-19的時間傳遞呢，我們同樣求助于光。在這個世界上，有不同的光源，比如太陽光是遍布各種頻率的連續光、我們常見的激光是單一頻率的光源，還有另一種神奇的激光——光學頻率梳，即光梳。
（墨子沙龍 制作）
光梳是一種超短脈沖激光，其光譜具有很奇特的性質：含有一系列不同的頻率信號，而且這些頻率是離散、等間距的。這些光學頻率信號就像一個個梳齒，因此這種激光得名“光梳”。在時間上，光梳相鄰脈沖的間隔比普通脈沖激光也具有更高的精度。
光梳的出現讓人們可以更加精確、也更為容易地去測量頻率和時間間隔。因其重要性，對光梳技術做出開創性貢獻的約翰·霍爾（JohnHall）和特奧多爾·亨施（TheodorHänsch）獲得了諾貝爾獎。光梳技術現在已經廣泛應用于光鐘、激光雷達、天文觀測等等領域。
隨著光鐘技術的發展，光鐘很有可能成為下一代時間頻率標準。全球性光鐘網絡的建立，亟需高精度的自由空間時頻傳遞技術。光梳在其中發揮著關鍵作用。最近，中國科學技術大學團隊基于光梳技術成功實現了自由空間中相距113公里的時頻傳遞，精度達到10-19水平，滿足了目前最高精度光鐘的需求。
（墨子沙龍 制作）
地面附近自由空間的環境遠比光纖中要復雜、要嘈雜，大氣中的各種擾動和湍流、鏈路損耗、環境變化等等因素給自由空間中的長距離時頻傳遞帶來了極大困難。之前，自由空間中的光頻傳輸技術只能實現10公里量級的傳輸距離。
中國科大團隊向這一難題發起挑戰——在光源方面，研制出高功率高穩定度光梳，在光信號收發信道方面，研制出高穩定性且高效率的光收發望遠鏡系統，另外采用線性光學采樣的干涉測量方式實現高精度的時間測量。經過一系列技術攻關，最終基于雙飛秒光梳和線性光學采樣，在相隔113公里的新疆南山天文臺和高崖子天文臺之間實現了萬秒10-19量級穩定度的時頻傳遞。
（圖片來自研究論文）
這一突破不僅帶來地面上遠距離時頻傳遞的應用，還為未來基于中高軌衛星的高精度星地時頻傳遞奠定了基礎。
為什么需要如此精確的計時？
在奧運賽場，百米大戰最為激動人心，勝負往往在毫厘之間，我們直觀上感覺到精確計時的重要性。東京奧運會采用高精度計時器，每秒可以捕捉10,000幅數碼影像。在科學領域，時間的測量精度就更高得多了，精度已經步入10-19量級。作為七大基本物理量之一的時間，是目前測量最精確的物理量。人們不斷在理論和技術上進行探索來提高時間測量精度，是為了什么呢？
精確的測量有望帶給我們對世界的全新認識。一百多年前，著名物理學家開爾文勛爵就認為“物理學的未來,將只有在小數點第六位后面去尋找”，精密計量學的意義可見一斑。2005年諾貝爾物理學獎得主約翰·霍爾更是說“計量學是科學之母”。時間的精確測量和傳遞，將使人們能夠對相對論原理、各種引力理論、暗物質模型等等基礎物理進行實驗檢驗。測量結果的微小不同，帶給我們的卻可能是時空觀念的轉變。
時間的精確測量也可以讓我們的生活更便利。例如，衛星的導航精度與計時精度緊密相關，我們的生活早已離不開導航和定位，要想定位更準確，比如精確到米以下，就需要更好的計時精度。在大地測量、地質勘探、雷達探測等等涉及社會民生的領域，精確的時間也都將發揮重要作用。
光鐘以及光頻傳遞技術的發展，有望讓人們重新定義“秒”?，F在秒的定義在1967年被確定，是由銫原子鐘來定義的。經過幾十年的發展，時間測量與比對的精確程度已經比原有定義優異兩個以上數量級，因此國際計量組織計劃2026年討論“秒”定義的變更。秒是七大基本物理量之一，且目前其他基本物理量（除物質的量外）均直接或間接與時頻標準相聯系。因此，新的“秒”定義將給整個科學領域甚至社會的方方面面帶來改變。
感謝沈奇、管建宇老師對本科普文章撰寫的指導和幫助。
轉自：墨子沙龍
作者：王佳
來源：中國科學技術大學
