銫原子鐘，生日快樂。現在請讓位。作為曾經用於定義時間本身的原子鐘迎來60歲生日之際，旨在挑戰銫原子鐘的新一代原子鐘測試即將開始。
這類計時器將能夠進行各種實驗，包括測試自然基本常數是否真的隨時間推移保持不變，並最終實現更精確的秒的官方定義。
原子鐘跟蹤原子在能量狀態變化時發射的電磁波頻率。英國物理學家路易·埃森於1955年6月首次演示了原子鐘，銫原子鐘於1967年成為世界官方計時器——將秒定義為銫原子在狀態切換時吸收或發射的微波完成9,192,631,770次振盪所需的時間。
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在過去十年中，各個實驗室已經建立了原型光學原子鐘，它們使用不同的元素，例如鍶和鐿，這些元素在可見光譜中發射和吸收更高頻率的光子。原則上，這種對時間的更精細劃分應該使它們更精確：據稱，這些時鐘中最好的時鐘每150億年（1018 秒）的誤差不超過一秒——比當前宇宙的年齡還要長——使其精度比銫原子鐘高100倍。光學原子鐘據稱是現存最好的計時器，但實際驗證這一點的唯一方法是將不同的模型相互比較，看看它們是否一致。
從6月4日開始，四個歐洲實驗室將啟動這一測試過程——英國泰丁頓的國家物理實驗室 (NPL)；巴黎天文臺時間-空間參考系統部門；德國不倫瑞克的德國國家計量研究院 (PTB)；以及義大利都靈的國家計量研究院。這些實驗室共同擁有各種光學原子鐘，這些時鐘利用不同的實驗裝置中的不同元素。
對於首次測試，每個研究所都將向衛星傳輸與其時鐘的光學頻率相關的訊號，衛星會將頻率束縛回其他實驗室。這將使實驗室能夠比較其時鐘發射的光的頻率，從而測量它們是否都以相同的節拍計時。
“這真的很令人興奮，”美國國家標準與技術研究院 (NIST) 在科羅拉多州博爾德運營的光學原子鐘強國物理學家安德魯·盧德洛說，他沒有參與該專案。“之前已經進行過幾次光學原子鐘的比較，但規模遠不及這次。” NPL 的物理學家海倫·馬戈利斯補充說，時鐘越多，就越容易找出任何差異的來源。
她指出，更高的頻率並不一定意味著更精確的時鐘，因為對環境因素的不同敏感性會影響不同時鐘在實踐中保持時間的能力。希望所有時鐘都能夠達成一致，表明它們的精度與聲稱的一樣高。如果有些時鐘不一致，則表明需要改進。
然而，最初的測試只是更精確測試的序幕，因為它有一個很大的侷限性：要將光束縛到衛星，必須將其轉換為微波頻率——這意味著使用可見光獲得的許多潛在額外精度都會丟失。透過提高資料傳輸速率，歐洲實驗室希望將當前最先進的衛星比較的精度提高十倍，但這仍將限制在十萬億分之一。研究人員表示，因此，衛星測試的主要功能是建立對光學原子鐘的信心，並表明它們的效能至少與現有銫原子鐘一樣好。
更精確的測試將透過光纖電纜以可見光譜傳輸訊號到實驗室。這將使時鐘能夠以類似於時鐘自身預期精度的精度進行比較。一些實驗室已經建立了這樣的連線，並且巴黎和泰丁頓之間以及巴黎和不倫瑞克之間的部分測試已經開始。“最終，這將允許進行四方比較。這就是願景，”馬戈利斯說。
“存在友好的競爭，”她補充道。“我們都認為我們的時鐘在實現最高精度方面具有非常好的潛力，否則我們就不會致力於它們。”
光學原子鐘之間的光纖鏈路已經在其他地方存在，例如 NIST 實驗室與其合作伙伴 JILA 實驗室之間，JILA 也位於博爾德。但這些鏈路的跨度比歐洲網路短，而且主要只是在兩個實驗室之間。“歐洲的獨特之處在於它擁有世界上最高密度的最佳時鐘，”PTB 的物理學家弗裡茨·裡勒說。
即使時鐘通過了後來的測試，要取代銫原子鐘以建立更精確的秒的定義也並非易事。國際原子時——協調世界時 (UTC) 的基礎——目前是透過平均數百個原子鐘的測量值來計算的。使用光學原子鐘進行相同的操作將需要一種以如此精確的水平聚合時間的方法；目前尚無法跨越海洋使用光纖方法。
與此同時，越來越精確的時間對於改進全球定位系統、高解析度射電天文學和金融交易的時間戳以及發現基本常數的微小變化非常重要。“大多數統一引力與其他力的嘗試都會導致基本常數在膨脹的宇宙中發生變化，”紐瓦克特拉華大學的理論家瑪麗安娜·薩夫羅諾娃說。
本文經許可轉載，並於2015年6月6日首次釋出。