在我们每天的生活里，时间似乎是最理所当然的存在，早上7点起床、9点上班、晚上11点睡觉，每一秒钟都悄无声息地划过。但你有没有想过，多长时间才是一秒钟，到底是谁说了算？

事实上，定义“秒”是一种精密到极致的仪器——原子钟。自1967年起，全世界所用的秒，都是依据铯原子的振动频率来定义的。铯原子每秒振动91亿多次，这就是我们现在时间的节拍器。

一秒钟到底是谁说了算（图片来源：作者使用AI生成）

但如今，科学家们觉得，这还不够准了，在量子通信、深空导航、引力波探测、甚至验证爱因斯坦的广义相对论等前沿研究中，任何哪怕10⁻¹⁶秒的误差，都会让数据的精度功亏一篑。而传统的铯钟，早已接近其技术上限。

所以，科学家们正推动一次前所未有的变革——重新定义秒。

从看得见的光中提取时间

要理解光学原子钟为何能击败传统铯钟，我们得先从数数这件事说起。在上世纪六十年代，科学家决定用铯原子来数秒。具体来说，铯-133原子在特定的两个能级之间跃迁时，会发出一个频率稳定的信号，每秒振动9,192,631,770次。这成了国际单位制中的秒的官方定义。微波频率虽然快，但在科学的标准里，它已经显得太慢了。

为什么说“慢”就不够好？你可以想象我们用一把尺子去测量一张纸的厚度。如果尺子上的刻度只有1厘米，那你能做的只有猜个大概，但如果换成千分尺，测出来的数据自然就更准确了。在计时这件事上也是一样——我们希望划分时间的刻度越细，测得就越精，而这正是光学钟的强项。

微波频率在10⁹ Hz（每秒振动十亿次）级别，而可见光的频率在10¹⁴到10¹⁵ Hz之间。也就是说，在相同的一秒里，光会振动得更快、也更规律，这就相当于把时间“切”得更“薄”，精度更高。于是，科学家开始研发能够探测这些高频振动的装置——光学原子钟。

电磁波谱涵盖了所有携带电磁能的（图片来源： www.nist.gov）

光学钟的工作方式是，将特定种类的比如锶、镱或铝原子冷却到接近绝对零度，用极其稳定的激光照射它们，探测它们内部的自然振动频率。这些原子的共振频率就像钟摆一样，只不过不是滴答滴答的摆动，而是每秒振动几百万亿次。只要能精准数清这个频率，就能得到一个比铯钟精度高100倍以上的“新秒”。

这种振动不会随意改变，那它稳定到什么程度呢？一台顶尖的光学钟，在宇宙诞生至今（约137亿年）运行下来，最多误差还不到一秒钟。

目前的光学原子钟主要有两种类型，分别适合不同的需求。一种是离子光学钟（Trapped Ion Clock），只用一个被电磁场“困住”的原子，比如铝离子或镱离子。测量极为纯净，精度可以做到极致，但稳定性稍逊。另一种是光学晶格钟（Optical Lattice Clock），用激光搭建一个盒子，一次容纳如锶、镱等数千个原子，同步测量其共振频率。这种方式虽然在原理上复杂得多，但可以极大提升稳定性与实用性，已成为未来主流标准的热门候选。

重新定义“秒”的全球大协作

精度再高的钟，如果各国钟不一致，也无法达成统一的时间标准。为了让全世界说的“秒”是同一个“秒”，科学家们必须回答一个问题：不同地方、不同类型的光学钟，到底走得是否一样准？

这听起来像是比对几台钟而已，实际上，是一场横跨六国、连接十台光学钟、动用了卫星与地面光纤链路的国际性大工程。

2022年，一个名为“ROCIT”（Robust Optical Clocks for International Timescales）的欧洲合作项目展开了一场实验。来自芬兰、法国、德国、意大利、英国和日本的研究人员同步运行了十台不同原子种类的光学钟，包括锶（Sr）、镱（Yb）、铟（In）等，通过光纤链路与全球卫星定位系统进行频率比对。这是人类历史上最大规模的光学钟协调比较实验。

各钟之间的连接方式及其地理分布（图片来源：参考文献[1]）

为什么要这么折腾？因为不同光学钟使用的原子不同，振动频率也不一样。要想让它们共同定义“秒”，就必须相互比对它们之间的频率比值。实验最终测得了38组关键的频率比值，其中有4组是人类首次测得。部分频率比的测量精度达到10⁻¹⁸量级，甚至超过了过去几十年所有比对数据的精度记录。

光学钟的全球比对实验结果，展示了2022年各国实验室通过卫星链路、光纤网络和本地比对三种方式测得的原子频率比值。（图片来源：参考文献[1]）

光学钟比对的最大难题，不在钟本身，而在“比”的过程。在实验中，科学家采用了两种主要的频率传输技术。光纤链路（Fiber Links）是将远距离实验室用超稳定的光信号连接起来，类似一条横跨欧洲的时间高速公路。误差极低，理论上可做到10⁻¹⁸以内。卫星链路（GNSS/IPPP）则是通过GPS等全球定位系统进行比对，传输稳定性和环境影响更复杂，误差略高但覆盖范围广。

但无论哪种方式，科学家还必须考虑地球重力影响。因为引力会改变时间的流速，哪怕两个钟之间相差几百米海拔，就要用精密的地理模型进行引力红移修正，误差控制在10⁻¹⁸量级——这几乎相当于一个人站在高楼顶和站在地面时所经历的时间的微小差异。

这次实验的一个重要成果是揭示了部分系统性误差的存在。例如，位于意大利的INRIM实验室在通过卫星链路进行数据比对时，出现了约4×10⁻¹⁶的频率偏差，推测是信号分配系统异常。这种秒的不一致，在没有大规模协作实验的情况下几乎无法察觉。

这也说明，统一的秒并非来自单个实验室的技术突破，而必须依赖国际协同、比对校准与不断复测。

结尾

人类从日影计时走到原子共振，时间的刻度越来越细，我们对宇宙的理解也越来越深。重新定义“秒”，看似只是科学仪器的一次升级，但它背后是人类测量极限、协作极限、认知极限的集体挑战。

在这场关于时间的全球协作中，我们看到的不只是更精准的钟，更是科学精神的典范。面对不可见、不可感的误差，科学家依然坚持追问、不断校准，只为让这一秒更接近真相。

参考文献：

[1] Lindvall, Thomas, et al. "Coordinated international comparisons between optical clocks connected via fiber and satellite links." Optica 12.6 (2025): 843-852.

[2] Sherrill, Nathaniel, et al. "Analysis of atomic-clock data to constrain variations of fundamental constants." New Journal of Physics 25.9 (2023): 093012.

[3] Roberts, Benjamin M., et al. "Search for transient variations of the fine structure constant and dark matter using fiber-linked optical atomic clocks." New Journal of Physics 22.9 (2020): 093010.

[4] Chou, Chin-Wen, et al. "Optical clocks and relativity." Science 329.5999 (2010): 1630-1633.

[5] Takamoto, Masao, et al. "Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks." Nature photonics 14.7 (2020): 411-415.

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本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨邵文亚 福建医科大学副教授；Denovo科普团队（杨超 博士）

审核丨尹东山 中国科学院国家授时中心副研究员

来源: Denovo