水鍾
日晷
原子鐘
機械鐘
1秒，在手錶裡不過是幾個齒輪的轉動和「喀嚓」一響。對銫原子鐘而言，這意味著9192631770次的電子躍遷振蕩。
原子能級躍遷有著最穩定的頻率，幾乎不受溫度、壓強影響。《科學》雜誌近日刊登了美國天體物理學聯合實驗研究所（JILA）葉軍教授團隊最新的研究成果，他們設計的原子鐘頻率準確度誤差不超過10－18。
如果這口鐘在宇宙誕生之時就存在，當它晝夜不停地走到今天，產生的誤差都不到1秒。
在漫長的歲月裡，人類發明了日晷，也用過需要有人日夜蹲守的水鍾。直到今天，站在科學最前沿的人仍然要面對堆滿一整個房間的原子鐘設備，一點點調試，只為找到藏在小數點後十多個零裡的差別。
這是一場沒有盡頭的追尋。
「將小數點往後挪一位，你就會發現新的真理」
進入一間守時銫原子鐘的實驗室，你需要全副武裝：白大褂、口罩、頭套、手套、鞋套一個都不能少，全身上下，只有一雙眼睛裸露在外。然後，你還要穿越一段強風席捲的黑色走廊，讓風拂去你身上細小的灰塵。
在這裡，新風系統日夜滿載工作，風扇的轟鳴聲是唯一的背景音。空調和溼度計都是特別定製款，為了保證溫度和溼度恆定在23.0℃和60％。實驗室對地基的穩定性要求極高，原子鐘就像初生的嬰兒一般，被處處小心呵護。甭管來多大的科學家，都只能蹲在地上調試設備。
在全世界53個國家的70多個實驗室，有400多個原子鐘一起運轉，維護著人類世界時間的穩定。國際計量局定時收集它們報送的數據，結合經過認證的少數幾個國家計量院研製的基準原子鐘校準，才最終產生國際原子時。
過去，人類只能利用日月星辰這類天然的「時鐘」，根據它們在遙遠天空上的位置大致判斷時間，日出而作，日落而息。後來，人類發明了機械鐘、擺鐘和石英表，但一直到1967年，秒的定義都是「太陽年的31556925.9747分之一」。
我們日常使用的時鐘已經可以達到一年小於1秒的誤差，但這顯然無法讓科學家滿意。「將小數點往後挪一位，你就會發現新的真理。」葉軍一直相信這句在美國物理學界廣泛流傳的話。
天文觀測、量子力學的研究都離不開精準的時間，我們生活中常用的全球定位系統（GPS）也依賴它，哪怕只是慢了一眨眼的時間，都會帶來數萬公裡的誤差。
早在19世紀70年代，麥克斯韋和開爾文就提出可以利用原子能級躍遷精準地計量時間，但直到80年後，世界上第一臺原子鐘才問世。又經過10年發展，原子鐘的精度才全面超過石英鐘。
在1967年的第13屆國際計量學大會上，秒的定義跨入原子時代：銫原子中電子能級躍遷周期的9192631770倍為1秒。這個標準一直沿用至今。
「除了銫原子，氫原子、汞原子、銣原子、鍶原子等都被廣泛用於研製原子鐘。」清華大學物理系博士生程鵬飛告訴中國青年報·中青在線，「這次葉軍教授團隊使用的就是鍶原子。理論上，它的性能可以比銫原子鐘好上千倍。」
要經歷重重「阻撓」，鍶原子才能發出那束頻率精準的光
對鍶原子來說，想要發出自己的一聲「滴答」可不容易。
為了發出那束頻率精準的光，原子源裡活蹦亂跳的它，需要將速度一步步降低到釐米每秒的量級——和樹懶差不多。它們有的要經歷數臺雷射器的「深情凝視」，有的要穿越重重電場和磁場，最終被冷卻到接近絕對零度（零下273.15℃）。
為了排除其它粒子的幹擾，科學家把鍶原子安置在真空的環境裡。在原子源裡，它們被加熱到500℃，變成活躍的氣體，速度和子彈差不多，每秒移動500米，衝向下一個站點。
在這段徵途裡，科學家不僅設置了磁場，還向它們迎面射出雷射。在原子的尺度上，鍶原子就像闖過了一段槍林彈雨，每秒鐘吸收上億個光子，它的速度也被降低到每秒50米左右。
最後，它們將滑入有著巨大粘滯力的「磁光阱」，同時被6束雷射照射，並被囚禁在那裡。經過幾輪折騰，銫原子也變得筋疲力盡，它終於可以完成使命。
「其實原子鐘的原理非常簡單，難點都在技術上。」程鵬飛解釋道，「什麼是更好的『冷卻』原子的方法，如何讓雷射器穩定地運行更長時間，需要解決的問題還有太多。」他介紹，在實際操作中，鍶原子鐘能連續運行10小時就是「相當不錯的成果」，不能有任何一個設備出問題。「增加原子數量和相干時間的能力將使這新一代原子鐘完全不同於之前的版本。」葉軍教授對媒體說。
在過去的鍶原子鐘裡，鍶原子都是排布在一個平面上，囚禁於磁光阱中。葉軍教授團隊這次則找到了一種三維的排布形式，就像由一層雞蛋提高到幾層裝的一大盒雞蛋。這樣可以大幅提高信號的強度，增加穩定度。
在程鵬飛看來，更難的是隱性的幹擾。很多變化是他們難以控制的，影響機理也很複雜，「沒有任何理論能夠解釋，我們開玩笑把它叫『玄學』。」相比之下，銫原子鐘的穩定度要高得多，持續運行時間很長，摔一摔、碰一碰都行。
對一個守時鐘而言，穩定性也是一個重要指標。「如果使用一會兒就要停下來，調試一下，這是肯定不行的。」程鵬飛說，銫原子鐘也是目前主流的計時工具，這也有賴於過去幾十年裡微波器件的快速發展。
相比於鍶原子鐘動輒需要數十平方米的空間存放，銫原子鐘體積小，兩個書桌就能鋪開。如果可以犧牲一些精度，它的體積能夠小於成人的手掌，甚至做到硬幣大小。在未來某一代人的眼裡，鐘錶也許不再意味著錶盤和指針，而是由線圈構成的儀器小盒子。
科學競賽的背後是技術和話語權之爭
每當你打開一次地圖，或是點一次外賣、搖一搖尋找你附近的人，太空中至少4臺衛星同時向你發送信息。經過計算，你的手機得出了你目前所在的位置。
這個計算成立的基礎就是這些衛星上的時鐘精準無誤。導航是目前對原子鐘需求最旺盛的領域。此外，交通、金融、電網、計算機網絡、移動通信等領域的安全運行都依靠高精度的時間頻率計量。在人流密度大的區域，每隔不到500米就要設置一個手機通訊基站，其中都會有2臺左右原子鐘。
「在這個領域，美國等發達國家走在最前面。他們從上世紀50年代就開始研究，踩過的坑多，走過的路也更多。」程鵬飛告訴中國青年報·中青在線。時至今日，高性能原子鐘仍然對我國禁運，為了防止技術洩密。
儘管美國的GPS系統能在全球每一個地方使用，各國仍然在努力打破技術壟斷。歐洲一直在完善「伽利略」系統，中國的「北鬥」導航系統也已經得到國際認可，並被市場接納。
1999年印巴卡吉爾戰爭期間，美國就曾關閉當地的GPS服務，所有依賴GPS制導的武器瞬間「失明」，印軍因此蒙受巨大損失。就連世界時一個閏秒的差別，都曾引發中、美、日、英、法等多個大國長達12年的拉鋸戰。
直到2014年，中國的銫原子噴泉基準鍾才得到國際計量局的認可，成為繼法、美、德、意、日、英、俄七國後第8個參與維護世界時的國家。這也意味著中國對國際時間從擁有「話語權」到具備了「表決權」。
中國計量科學研究院時間頻率計量研究所所長方佔軍曾向媒體表示：「如果我們在這方面失去話語權，現有的系統就不能夠獨立復現秒定義，所有與此相關的科研和應用都將失去獨立性。」
2016年，我國「天宮二號」空間實驗室搭載了世界上首個在軌運行的空間冷原子鐘。國際上對這項技術的研究最早追溯到1997年，但發射計劃幾經推遲，至今沒能實施。在寸土寸金的空間站，體積和功耗被壓縮到最低的冷原子鐘將直面來自太空的考驗。
科技競賽之下，原子鐘也一直刷新著科學的極限。截至目前，至少有8項獲得諾貝爾物理學獎的成果直接推動了原子鐘的發展。美國國家標準技術局最新的銫原子鐘研究項目負責人總結說，「在原子鐘誕生後的60年裡，每當我們建成一臺更好的鐘，便會催生出一些無法預期的新應用。」
「如果能把原子鐘的精度再提高几個數量級，我們就能更直接和精確地測量引力波，更準確地測量物理常數。」程鵬飛告訴中國青年報·中青在線，他也期待原子鐘技術的進步推動衛星定位系統達到釐米、毫米量級的精度，「這會完全改變我們社會的生產生活方式。」
時代變化，時間計量的觀察目標從宇宙星辰變成了人造衛星，儀器從六分儀變成了信號接收器，基準也從地球公轉變成了原子鐘，但在追求時間精度這件事上，人類從來沒有滿足過。未來的原子鐘可能會進入原子核，以更加穩定的原子核能級躍遷振蕩作頻率基準。還有人暢想，如果將來我們進行星際旅行，脈衝星可以作為星際通訊中可靠的同步時鐘。
「我想做大自然能夠讓人類做到的最精確的測量，我希望我們做的每個實驗都能達到大自然最基本的極限。」葉軍給自己的研究定下目標。這是物理學上探索最少的領域之一，每一項發現都有可能是革命性的。
實習生 王嘉興