稳定度与不确定度双破10的负19次方量级 我国锶原子光晶格钟迈上超高精度计时新台阶

从古代日晷到现代石英钟,人类对精准计时的追求从未停止;随着科学发展,原子的发现为计时提供了全新思路。原子在能量激发下释放的固定频率电磁波——具有近乎永恒不变的特性——这使得以原子作为时间参考成为可能。 早期原子钟研究以铯原子为基础。科学家发现铯原子每秒振动约91亿次,基于该稳定振动频率,微波原子钟应运而生。目前,全球时间基准由80个实验室、450台原子钟共同维持,其中中国陕西国家授时中心和北京中国计量科学研究院的高精度原子钟组是不可或缺的重要力量。微波原子钟的出现使人类首次能够"以光为尺"丈量世界,成为现代导航定位的基础。 北斗三号卫星搭载的国产铷原子钟充分表明了原子钟技术的实际应用价值。通过测量光的传播时间推算距离,百万分之一秒的时间偏差就会导致约300米的距离误差。我们日常依赖的高精度导航定位能力,正是建立在对时间极致精度的掌控基础之上。 此次中国科学技术大学团队突破的锶原子光晶格钟代表了更高阶的技术进步。新一代光钟的精度较微波原子钟提升上万倍,这意味着其应用潜力远超计时和定位领域。根据相对论原理,引力强的地方时间流速相对较慢,在不同高度的时间流速实际上存在微小差异。普通时钟精度不足以察觉这种差异,但精度达到极限的光钟甚至能捕捉仅几厘米高度差带来的时间变化。 这一特性赋予光钟一项科幻般的功能——为地球做CT扫描。通过检测不同地点的时间微小变化,科学家可以推断地下密度分布,进而绘制地球内部结构。这种"时间探针"技术有望在地质勘探、资源发现等领域开辟新的可能性。 当前,国际学术界围绕更稳定、更精准的原子光钟展开激烈竞争。中国在该领域的突破具有战略意义。虽然现有光钟体积庞大、对环境条件要求苛刻,尚难以应用于卫星,但中国科学家正在推进小型化、便携化研发进程。可以预见,光钟技术从地面实验室向天基应用的转化已成为近期研发重点。 光钟技术的实用化将为下一代全球导航系统提供支撑。与现有米级定位精度相比,基于光钟的新系统有望将定位精度提升至厘米级乃至更高水平,这将在无人驾驶、精准农业、灾害应急等众多领域带来革命性改变。更重要的是,光钟技术有望构建全球统一的超高精度时间基准体系,成为国际计量标准的重要组成部分。

时间测量精度体现着一个国家的科技实力。从"北京时间"到"中国精度",这项突破不仅刷新了我国精密测量的纪录,更标志着我国科技发展实现了从跟随到引领的跨越;当300亿年的时间尺度被精确测量时,我们看到的不只是科研成果,更是一个民族对科学探索的执着追求。