在人類對完美的不懈追求中，科學家們創造了一種原子鐘，其精確度和準確性超越了以往所有的時鐘。這種新型時鐘由美國國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學博爾德分校聯合機構JILA 的研究人員開發，代表了計時技術的重大進步。

這台時鐘能夠在浩瀚無垠的太空中精確導航並尋找新的粒子，是最新的超越單純計時的儀器。隨著精確度的提高，這些下一代計時器可以揭示隱藏在地下的礦藏，並以前所未有的嚴格程度檢驗廣義相對論等基礎理論。對於原子鐘的設計者來說，這不僅是為了製造一個更好的時鐘，而是為了揭開宇宙的秘密，並為未來世世代代影響我們世界的科技鋪路。

世界科學界正在考慮根據這些新一代光學原子鐘重新定義秒這一國際時間單位。現有一代原子鐘用微波照射原子來測量秒數。這種新型時鐘用頻率高得多的可見光波照射原子，可以更精確地計算出秒數。與目前的微波鐘相比，光學鐘有望為國際計時提供更高的精確度–每300 億年可能只會損失一秒鐘。

但是，在這些原子鐘達到如此高的精度之前，它們必須具有極高的精度；換句話說，它們必須能夠測量極小的幾分之一秒。同時實現高精度和高準確度會產生巨大的影響。

新的JILA 時鐘使用被稱為”光學晶格”的光網來捕獲並同時測量數以萬計的單個原子。擁有如此龐大的原子群在精度方面具有巨大優勢。測量的原子越多，時鐘就有越多的數據來精確測量秒。

由鍶原子組成的極冷氣體被困在被稱為光晶格的光網中。原子被置於超高真空環境中，這意味著幾乎沒有空氣或其他氣體存在。這種真空環境有助於保護原子脆弱的量子態。圖片中的紅點是用於創建原子阱的雷射的反射。圖片來源：K. Palubicki/NIST

為了實現破紀錄的新性能，與以前的光學晶格時鐘相比，JILA 的研究人員使用了更淺、更柔和的雷射”網”來捕獲原子。這大大減少了兩個主要的誤差來源–捕獲原子的雷射的影響，以及原子擠得太緊時相互碰撞的影響。

研究人員在《物理評論快報》上介紹了他們的研究進展。

NIST和JILA的物理學家葉俊說：”這個時鐘非常精確，它甚至可以在微觀尺度上探測到廣義相對論等理論所預測的微小效應。它突破了計時的極限”。

廣義相對論是愛因斯坦的理論，描述了重力是如何由空間和時間的扭曲引起的。廣義相對論的主要預測之一是時間本身受引力影響–重力場越強，時間流逝越慢。

這種新的時鐘設計可以在亞毫米尺度（大約一根頭髮絲的粗細）上檢測相對論對計時的影響。將時鐘調高或調低這麼微小的距離，就足以讓研究人員分辨重力效應對時間流造成的微小變化。

這種在微觀尺度上觀測廣義相對論效應的能力，可以大幅縮小微觀量子領域與廣義相對論所描述的大尺度現象之間的差距。

更精確的原子鐘還能實現更精確的太空導航與探索。隨著人類深入太陽系，時鐘需要在遙遠的距離上保持精確的時間。即使是微小的計時誤差也會導致導航誤差，而這種誤差會隨著距離的增加而呈指數增長。

“如果我們想讓太空船準確無誤地降落在火星上，我們就需要比現在的全球定位系統更精確的時鐘，」葉俊說。 “這一新時鐘是實現這一目標的重要一步。”

用於捕獲和控制原子的方法同樣可以在量子計算方面取得突破。量子電腦需要能夠精確操縱單一原子或分子的內部特性來執行計算。在控制和測量微觀量子系統方面取得的進展極大地推動了這項工作。

透過探索量子力學和廣義相對論交匯的微觀領域，研究人員正在打開一扇門，讓人們對現實本身的基本性質有新的認識。從時間流被引力扭曲的無限小尺度，到暗物質和暗能量控制的廣闊宇宙前沿，這台時鐘的精湛精度有望揭示宇宙最深層的奧秘。

“我們正在探索測量科學的前沿，”葉俊說。 “當能以如此高的精度測量事物時，就會開始看到我們到目前為止還只能理論化的現象”。

編譯自/ ScitechDaily