世界上最精确的时钟可能使用铒或镥运行 - 彭博社

新加坡国立大学的基于镥的原子钟。

摄影师：Ore Huiying 为《彭博商业周刊》世界上最精确的钟表之一最重要的部分是一个纸薄、订书钉大小的镥块。它放置在一个隔音、抗震、迷你冰箱大小的盒子里，盒子放在一个价值22,000美元的减震桌子上。新加坡国立大学的物理学副教授穆雷·巴雷特伸手去拿那个盒子给我看。“应该没问题，”他说，带着他温暖的新西兰口音。但随后他犹豫了。我们在一个昏暗的实验室里，里面充满了激光，激光的光束在晶体和电子设备的阵列中弯曲、分裂和增强。“通常没问题，”他说，退后一步，远离他仍在进行中的钟表。“但我不确定我们是否在运行任何东西。”

巴雷特的钟表位于大学的量子技术中心，旨在将时间切割成比以往任何钟表更小的段落。一个模拟秒表通常可以将一秒钟分成10个部分：0.1秒、0.2秒等。理论上，镥钟将在小数点右侧添加14个零，从而将一秒钟分割成（大约）一千万亿个部分，并在连续运行30亿年时保持在一秒钟的准确度内。即使是来自保持实验室环境清洁的排气扇的最小振动，也足以破坏这种精度——以及实验室的所有工作。

摄影师：Ore Huiying 为彭博商业周刊到目前为止，具有15位小数精度的时钟的潜在应用仍然是理论上的和理想化的。但这并没有阻止世界各地的实验室竞争，使用不同的元素来达到相同的目标。铒在某种程度上是最不可能出现在成功努力中的元素。它不仅在自然界中相对稀有；由于其高成本和与其他元素的相似性，其已知应用也很少。因此，研究人员和行业往往会忽视它。如果巴雷特和他的实验室成功了，铒的全球市场不会显著扩大——毕竟，时钟几乎不使用它。然而，铒将迅速成为科学和全球经济的核心。

所有时钟通过跟踪一个重复事件来测量时间。这可以意味着通过日晷上的阴影跟踪地球的旋转，或者可以意味着计算摆的摆动。然而，这些计时方法都无法在所有时间和地点产生恒定的测量。温度和湿度会改变机械钟表的部件，延长或缩短秒数。基于天文观测的计时受到地球围绕太阳轨道不规则性的影响。

到目前为止，人类历史的大部分时间并不需要太多的精确度，因此时钟的局限性从来没有真正成为问题。然后在19世纪，原子物理学打开了一个普遍、不变的时间定义的可能性。这个想法看似简单。元素周期表中的每个原子在被精确频率的辐射轰击时会独特地振动。因此，如果在现有的非原子定义的秒的最佳情况下，可以计算出刺激一个原子所需的辐射周期数，世界将拥有一个基于不变原子的新的秒的定义。实际上，它将拥有一个原子钟。

在近二十年的时间里，科学家们确定铯是最佳的元素，因为铯的振动相对容易观察，并且只有一种稳定的形式，因此不需要进行纯化。1967年，国际计量大会，一个政府间组织，用测量铯-133振动所需的9,192,631,770次微波振荡所需的时间取代了旧的天文定义的秒。

即使在原子秒被定义之前，科学、军事和商业领域就对利用更精确的计时产生了浓厚的兴趣。美国军方是原子钟的最早赞助者之一，1973年，武装部队推出了全球定位系统，这是一种超精确的导航网络，利用配备原子钟的卫星来测量信号到达地球接收器并反弹回来的时间。

刊登于 彭博商业周刊，2019年9月2日。立即订阅。摄影师：Tommy Trenchard（霓虹灯），Shawn Records（钠），Christie Hemm Klok（铍），Carlotta Cardana（金），Kiliii Yuyan（钕）为彭博商业周刊拍摄导弹和其他军事技术是GPS的直接受益者。私营部门也受益于从谷歌地图到现代电信网络的同步使用GPS。根据2019年6月由科罗拉多州国家标准与技术研究院（NIST）赞助的一项研究，从1984年到2017年，GPS为美国带来了1.35万亿美元的经济利益。中国、欧洲和日本也有自己的依赖于原子钟的卫星导航系统；尽管这种情况不太可能发生，但集体故障将会瘫痪全球经济。

近二十年来，全球的科学家们一直在致力于改进原子钟，这些原子钟使用可见光刺激原子，其振荡速度大约是铯钟微波的十万倍。制造这些光学钟不仅仅是将微波换成激光，将铯换成其他元素的问题。相反，科学家们必须克服一系列科学和技术挑战，包括哪个元素最适合计时这一基本问题。

候选元素并不缺乏，包括铝、汞和锶。目前，领先者似乎是镱，正在NIST以及欧洲和亚洲的实验室中由大型、资金充足的团队进行研究。在2018年底，NIST宣布一对基于镱的钟在精度、稳定性和结果可重复性方面创下了记录。铥是这一激烈且昂贵竞争的晚期参与者。然而，在相对较短的时间内，得益于穆雷·巴雷特，它证明了自己是一个值得关注且引人入胜的黑马。

巴雷特在新加坡国立大学。摄影师：Ore Huiying为《彭博商业周刊》拍摄巴雷特并不渴望成为钟表制造者。在2002年完成乔治亚理工学院的博士学位后，他研究了原子物理，随后在NIST的量子计算和信息项目中进行了为期两年的博士后研究。他在短暂返回新西兰后，便在新加坡担任目前的职位。他的研究最初集中在他所称的“量子信息相关内容”上，这是一个将计算与微小的量子物理世界结合的领域。根据巴雷特的说法，他有一天在办公室里“恰好看到了铥，并对精密测量产生了兴趣。”他看到我脸上的怀疑，停顿了一下，然后补充道：“这确实是如此随意。”

即使是微小的温度变化，早期的原子钟也无法记录，这些变化对于超敏感的光学钟来说可能是误差来源。事实证明，铒对温度变化的敏感性极低。“我认为，”巴雷特说，“任何对环境敏感性最低的原子将会制造出更好的钟。”

巴雷特站在他的实验室里，周围是自制的激光器和电子设备，其中一些在黑暗中勾勒出幽灵般的红线，他用两把相似长度的尺子来解释为什么需要更准确的钟。他说，这些尺子可以被视为钟。铯尺以厘米为单位测量；但基于铒的光学钟“将以毫米为单位测量”，因此可以更准确地测量世界。这甚至可能允许测量以前无法测量的事物，从而揭示和解决物理学的基本问题。

例如，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论提出，旅行越快，重力对你的拉扯越大，时间就越慢。为了验证这一点，科学家们在太空中飞行原子钟，发现它们相对于地球上的钟运行得更慢。同样，山顶上的原子钟比山脚下的钟运行得更快，因为那里重力更强。如果光学钟能够缩小到便携的尺寸，这是巴雷特和其他人正在研究的，那些可测量的时间变化可以用于以前前所未有的细致地图绘制地球的地形。从理论上讲，它们也可能揭示该地形下的矿藏。

摄影师：Ore Huiying 为彭博商业周刊光学钟表的科学母矿将是如此精确的测量，以至于它们可以揭示暗物质，这种神秘物质占据了宇宙质量的约27%。它的存在仅仅是推测，因为普通物质无法解释如星系等大质量物体的演化和结构。NIST的基于镱的钟表正在达到可能最终足以探测暗物质特征的精度水平。

在博尔德，记录创下的NIST钟表的项目负责人安德鲁·拉德洛尚未庆祝。“现在很难想象一个成熟的光学钟表以可以在各地部署的价格点开发出来，”他说。更为复杂的是，光学钟表的复杂性意味着它们会有显著的停机时间。为了使它们作为新的秒的参考，更不用说探测暗物质特征，它们需要能够不间断运行，全天候。“由于这些钟表的复杂性和成本，很多应用都是在不需要很多钟表的情况下，但需要它们在特殊条件下表现得非常好，”拉德洛说。“各种军事应用都属于这一类别。”拉德洛的资助者包括NASA和国防高级研究计划局，通常简称为Darpa。

但光学钟表的市场正在逐渐形成。“我接到了一些金融行业人士的联系，他们对光学钟表产生了普遍的好奇，”拉德洛说。光学钟表可能允许交易所对许多交易进行时间戳和排序，以更小的时间增量进行，这一特性对高频交易者及其对手尤其感兴趣。在2016年，对冲基金文艺复兴科技公司申请了一项专利，涉及一种依赖于“原子钟、光学钟、量子钟、全球定位系统（GPS）钟或任何能够在微秒内测量时间的钟表”的交易系统。

摄影师：Ore Huiying 为彭博商业周刊当我问他关于金融行业对光钟的兴趣时，巴雷特不自在地笑了。他坐在宽敞办公室的桌子旁，办公室对面是他的实验室，旁边的白板上满是箭头和方程式。他并不是为了寻找更多交易的时间戳而进入物理学的。相反，他说，追求精确“符合我的个性”，他致力于通过无尽的调整来改善任何钟表。“困难的部分是知道何时停止并发表，”他说。

巴雷特高兴地承认，目前他的实验室和铥并不是建造定义秒的光钟的领先者。首先，他的资金远不如其他团队。但他所缺乏的资源被“我的原子”的特性所弥补，他说。“我的论点是，如果你能在镱中制造出准确的钟表，那么你一定能在铥中制造出准确的钟表，而且它应该更准确，因为特性更好。”

新加坡科学技术研究局，一个资助可能使这个城市国家在竞争中受益的研发的政府机构，正在帮助资助他。“他们为什么要资助它？”巴雷特问。“如果你看看钟表的历史，随着我们不断改进它们，新的应用出现，或者我们已有的应用变得越来越好。”

对于任何钟表实验室外的人来说，进展的第一个证据将是秒的新定义。官方上，这最早可以在2022年计划召开的国际计量大会上实现。但大多数观察者认为，直到2026年的会议之前，关于哪个元素或钟表设计应该作为新秒的基础不会达成全球共识。现在，巴雷特和其他钟表制造商一样，仍然专注于滴答声。“这就是你在钟表行业真正做的事情，”他说。“你问，‘我们如何使这些测量变得越来越好？’ ” 这个故事来自 彭博商业周刊的特刊 元素*。*