2002年5月，數十位世界頂級的鐘表製造者聚集在新奧爾良，參加為期一週的會議，展示他們的最新發明。 他們中沒有一位是機械師；這些人是科學家，他們的談話充滿了光譜和量子能級的術語，而不是齒輪和擒縱機構。今天，那些想要製造更精確時鐘的人必須同時在物理學和工程學的多個前沿領域取得進展。他們正在拼湊雷射器，這種雷射器可以發射萬億分之一秒的脈衝，以及將原子冷卻到絕對零度以上百萬分之幾度的腔室。他們正在用光和磁的焦油坑捕捉單個離子，並操縱電子在其軌道上的自旋。
由於重大的技術進步，超精密計時的藝術正以30多年來未曾見過的速度發展。如今，一臺好的銫束鍾，比如Symmetricon公司售價49,000美元的那種，每秒的滴答聲在一個月內誤差約為一微秒，其頻率精度為5×10-13。美國的主要時間標準，是國家標準與技術研究院（NIST）於1999年在科羅拉多州博爾德實驗室安裝的銫噴泉鍾，其精度為5×10-16（通常簡寫為1016）。這比NIST在1975年最好的時鐘精度高出1000倍。但計劃於2008年搭載國際空間站的太空時鐘，預計其不確定性約為10-17。新型時鐘設計的成功原型——從鈣原子或汞離子而不是銫原子中提取時間的裝置——讓物理學家們預計，精度很快將達到1018範圍，在不到十年的時間裡提高1000倍。
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“精度”可能不太確切。秒在1967年被國際協議定義為銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷對應的輻射的9,192,631,770個週期持續的時間。暫時拋開這意味著什麼：關鍵是，要測量一秒，你必須觀察銫原子。很快，最好的時鐘將不再使用銫原子——嚴格來說，它們將不再測量秒。這是鐘錶製造者面臨的一個困境。
更進一步，存在一個更根本的限制：正如阿爾伯特·愛因斯坦提出的理論和實驗所證實的那樣，時間不是絕對的。當引力變強時，或者當時鐘相對於觀察者快速移動時，任何時鐘的速率都會減慢——即使是電子重新定向其磁極或從一個軌道躍遷到另一個軌道時發出的單個光子也是如此。透過將超精密時鐘放置在空間站上，科學家們希望對相對論進行迄今為止最嚴峻的考驗。但是，一旦時鐘達到1018的精度——這相當於在宇宙年齡範圍內偏差小於半秒——相對論效應將考驗科學家們。目前還沒有技術能夠以如此精確的程度同步世界各地的時鐘。
18——這相當於在宇宙年齡範圍內偏差小於半秒——相對論效應將考驗科學家們。目前還沒有技術能夠以如此精確的程度同步世界各地的時鐘。
精度的發明
那麼，為什麼要費力改進原子鐘呢？秒的持續時間已經可以測量到小數點後14位，精度是任何其他基本單位的1000倍。改進的理由之一是，秒正日益成為基本單位。其他六個基本單位中的三個——米、流明和安培——現在都是用秒來定義的。千克和摩爾可能是下一個。國家標準與技術研究院的理查德·L·施泰納說：“千克被重新定義只是時間問題。” 使用著名的E = mc
2 方程，科學家們可以將質量單位設定為等量的能量，例如頻率總和為某個數值的光子集合。透過改進時鐘，科學家們可以改進對時間以外更多量的測量。
更穩定和便攜的時鐘設計也可能對導航大有裨益，提高全球定位系統和伽利略（歐洲正在開發的競爭系統）的精度和可靠性。更好的時鐘將幫助NASA跟蹤其衛星，使公用事業和通訊公司能夠追蹤其網路中的故障，並提高地質學家精確定位地震和核彈試驗的能力。天文學家可以使用它們以顯著銳化影像的方式連線望遠鏡。廉價的微晶片尺寸原子鐘[見下方方框] 很可能具有無數尚未想象到的用途。
要理解為什麼計時技術突然進入高速發展階段，瞭解原子鐘的工作原理會有所幫助。原則上，原子鐘就像任何其他計時器一樣，有一個以規則方式滴答的振盪器和一個將滴答轉換為秒的計數器。銫鐘的振盪器不是機械的（如擺錘）或機電的（如石英晶體）。它是量子力學的：光子被銫原子最外層的電子吸收，導致電子的磁場（及其相關的自旋）上下翻轉。
與擺錘和晶體不同，所有銫原子都是相同的。並且每個原子都會在受到頻率恰好為每秒 9,192,631,770 周的微波照射時翻轉其自旋。為了測量秒，時鐘將其微波發生器鎖定在光譜中的最佳點，即大多數銫原子發生反應的點。然後它開始計數週期。
當然，量子物理學中沒有什麼是真正那麼簡單的。像往常一樣，複雜化問題的是海森堡不確定性原理，它嚴格限制了人們可以精確測量單個光子頻率的程度。現在最好的時鐘掃描一個一赫茲寬的最佳點，以找到其精確中心，每次測量的誤差為正負一毫赫茲——儘管存在海森堡極限。賓夕法尼亞州立大學的物理學家庫爾特·吉布林在新奧爾良解釋說：“我們之所以能做到這一點，是因為我們每次都觀察超過一百萬個原子。因為它實際上不僅僅是一次測量，所以它不違反量子力學定律。”
但這種解決方案會產生其他問題。在室溫下，銫是一種柔軟的銀白色金屬。它會在你的手掌中融化成金色的水坑——儘管你不會想觸控它，因為它會與水劇烈反應。在銫束鍾內部，烤箱加熱金屬直到原子沸騰。這些熱粒子可以以各種速度和角度穿過微波腔。有些原子移動得如此之快，以至於（由於相對論）它們的行為就好像時間變慢了一樣。對於其他原子，微波看起來（由於多普勒頻移）頻率高於或低於實際頻率。原子不再表現得相同，因此滴答聲變得不那麼清晰。
海森堡博士可能會建議減慢原子速度，而這正是鐘錶製造者所做的。世界上最好的四五個時鐘——在NIST、華盛頓特區美國海軍天文臺以及巴黎和德國不倫瑞克的標準研究所——都將超冷銫原子球以噴泉狀弧線拋過微波腔[參見第46頁《計時編年史》中的插圖]。為了將熱銫氣體凝結成球，六束相交的雷射束將原子減速到低於兩微開爾文——幾乎完全靜止。低溫幾乎消除了相對論和多普勒頻移，並使兩米高的噴泉鐘有半秒鐘的時間來翻轉原子自旋。1996年推出的噴泉鍾迅速將國際原子時間的不確定性降低了90%。
太空中的時間
製造一個好的秒需要時間，而噴泉鍾仍然在趕時間。“如果我們想將觀測時間增加一倍，我們就必須將塔的高度增加四倍，”NIST時間和頻率部門主管唐納德·沙利文說。沙利文沒有在他的實驗室天花板上打洞，而是領導著三個將噴泉式時鐘放置在國際空間站上的專案之一。“在太空中，我們可以以每秒15釐米的速度發射原子球穿過74釐米的腔室。因此，我們有5到10秒的時間來觀察它們，”他解釋說。他參與的耗資2500萬美元的太空主原子參考鍾（PARCS）專案應該能夠產生精度為5×10-18的秒。
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如果PARCS按計劃在2009年發射，那麼歐洲航天局的裝置ACES（太空原子鐘整合）可能會在空間站上與其會合。這兩個時鐘的目標是以99.99997%的精度測量低地球軌道微重力與地面測量相比減慢時間的程度。
第三個時鐘，稱為RACE（銣原子鐘實驗），計劃緊隨其後。顧名思義，RACE將用另一種鹼金屬元素取代鐘錶製造者熟悉的銫。吉布林解釋說，在最好的銫噴泉中，最大的誤差來源是所謂的冷碰撞，他負責RACE專案。“在接近絕對零度的溫度下，量子物理學開始起作用，原子開始表現得像波一樣。它們看起來比正常情況下大數百倍，因此它們碰撞得更頻繁。他繼續說：“在微開爾文下，銫具有幾乎最大的可能橫截面。但銣原子的有效尺寸小50倍。這應該使RACE能夠達到10-17的精度，是PARCS和ACES不確定性的五分之一。”
17，是PARCS和ACES不確定性的五分之一。
銣鍾還具有另一個優勢：有機會尋找精細結構常數α的波動。α決定了原子和分子中電磁相互作用的強度。它非常接近1/137，這是一個無量綱數，它從物理學的標準模型中脫穎而出，但沒有明顯的理由說明其值。然而，這是一個重要的數字——稍微改變α，宇宙就無法支援我們所知的生命。
在標準模型中，精細結構常數在整個永恆中是不可變的。但在一些競爭理論（如某些弦理論）中，α可能會略微波動或隨著時間的推移而增長。2001年8月，一組天文學家報告了初步證據，表明在過去60億年中，α可能增加了百萬分之一。但證據模稜兩可，這個問題很難解決。透過將銣鍾與基於銫和其他元素的時鐘進行比較，科學家們或許可以將可能的α波動極限降低20倍。
雷射統治
除了用銣取代銫之外，RACE將是一個相當標準的噴泉鍾，它使用雷射冷卻原子，但使用微波來踢動電子並計時。這是一個經過驗證且可靠的設計。但它很快就會過時。
2001年8月，NIST的斯科特·A·迪達姆斯和他的同事報告了一項短期試執行，這是許多時鐘製造者認為他們可能永遠無法看到的：基於單個汞原子的光學原子鐘。從千兆赫茲頻率的微波升級到太赫茲光譜中的可見光，這似乎是一個很自然的想法。光學光子包含足夠的能量，可以將電子直接撞擊到下一個軌道殼層——無需為自旋等細微之處而煩惱。但是，儘管計時器仍然在太赫茲頻率下工作，但計數器卻壞了。
沒人知道如何計數每秒10
16個週期，加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室的埃裡克·A·伯特觀察到。“我們需要一座通往微波領域的橋樑，我們在那裡有電子計數器。”
光學標尺應運而生。1999年，德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的托馬斯·烏德姆、西奧多·W·漢施和其他人找到了一種直接測量光頻率的方法，方法是使用脈衝頻率為1千兆赫茲的參考雷射器。每個光脈衝只有幾十飛秒長。（飛秒是非常非常短的時間單位。每秒流逝的飛秒比自宇宙大爆炸以來經過的小時還多。）雷射器發出連續的單色光束，但脈衝雷射器會使每次閃光中產生多種顏色。飛秒脈衝的光譜是一種奇異的景象：數百萬條清晰的線條跨越彩虹，每條線條與其鄰居的間距完全相同——就像標尺上的刻度線。吉布林搖著頭說：“你可以製造出每秒脈衝十億次且其組成頻率都穩定在一赫茲的雷射器，這簡直令人難以置信。”
迪達姆斯在NIST的研究小組圍繞汞離子構建了一個基本的光學鐘錶裝置，他們將汞離子固定在電磁阱中[參見第60頁和第61頁的方框]。由於每個原子都缺少一個電子，因此離子帶有正電荷。它們相互排斥，因此碰撞不再是問題。儘管該裝置仍然太脆弱而無法持續執行，但在1秒的時間內，其穩定性優於6×10-17。在更長的時間段內，不確定性可能接近10-18。沙利文承認：“汞不是理想的元素。我們在其中使用的時鐘躍遷可能會隨著磁場而移動，而磁場很難完全消除。但在銦中存在一個看起來很有吸引力的躍遷。[中斷]”
16以上。在更長的時間段內，不確定性可能接近1018。沙利文承認：“汞不是理想的元素。我們在其中使用的時鐘躍遷可能會隨著磁場而移動，而磁場很難完全消除。但在銦中存在一個看起來很有吸引力的躍遷。[中斷]”
烏德姆和漢施比他領先一步。他們一直在研究銦離子，而且銦離子似乎確實能夠將時鐘帶入10-18量級，正如吉布林所說的那樣。不倫瑞克聯邦物理技術研究所和其他地方的研究小組正在用不帶電的鈣原子進行實驗。由於中性原子可以比離子更密集地擠入陷阱中，因此訊號比噪聲高得多。“擁有50個離子的時鐘是否比擁有1億個中性原子的時鐘更好，這仍然是一個懸而未決的問題，”吉布林思考道。
不恆定的時間
然而，無論如何，吉布林說：“我們很快就會擁有精度達到10-17的時鐘，這似乎很清楚。” 但又出現了“精度”這個詞。沙利文指出，光學時鐘偏離了秒的原子定義，後者是基於銫的特性。“為了使最新最好的時鐘嚴格地成為我們設定手錶時間的守護者，這個定義將不得不改變。” 沙利文說，決定這類事情的國際計量局（BIPM）時間委員會最近接受了他的提案，允許輔助定義，宣告銫頻率與其他原子的頻率等效。如果BIPM全體會議批准這個想法，秒的定義將被拓寬，但也會被削弱。
鐘錶製造者不會如此輕易地繞過相對論。精度為1×10-17的時鐘——三百萬年內誤差為一毫秒——很容易受到兩種相對論效應的影響。首先是時間膨脹：移動的時鐘執行緩慢。吉布林說：“10-17的頻移對應於步行速度引起的時間膨脹。”
17——三百萬年內誤差為一毫秒——很容易受到兩種相對論效應的影響。首先是時間膨脹：移動的時鐘執行緩慢。吉布林說：“10-17的頻移對應於步行速度引起的時間膨脹。”
另一個混淆因素是引力。引力越強，時間過得越慢。珠穆朗瑪峰頂部的時鐘比海平面的時鐘每年快大約30微秒。沙利文說：“當我們比較我們大樓不同樓層的時鐘時，我們已經必須對此效應進行校正。將時鐘抬高10釐米會使其速率改變1×10-17。” 與當地地質、潮汐甚至地下數英里的岩漿移動引起的重力變化相比，海拔高度相對容易測量。
17。與當地地質、潮汐甚至地下數英里的岩漿移動引起的重力變化相比，海拔高度相對容易測量。
最終，吉布林說：“如果你將我們用微波時鐘分割光譜線的能力外推到光學標尺，那就會使你的不確定性達到10-22量級。當然，我並不認為我們很快就會達到這個目標。而且也沒有特別的迫切性：沒有人知道如何在兩個時鐘之間如此精確地傳遞時間。如果一個時鐘你既不能移動它，又不能對照另一個時鐘進行檢查，那它有什麼用呢？”
22。當然，我並不認為我們很快就會達到這個目標。而且也沒有特別的迫切性：沒有人知道如何在兩個時鐘之間如此精確地傳遞時間。如果一個時鐘你既不能移動它，又不能對照另一個時鐘進行檢查，那它有什麼用呢？”