720億年才差一秒！我國造出世界最精準鈣離子光鐘，都有啥用處？

2026年2月7日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院高克林團隊發(fā)布重磅成果，其研制的第二代液氮低溫鈣離子光鐘實現(xiàn)總系統(tǒng)不確定度4.4E-19，連續(xù)計時720億年僅誤差1秒，成為目前全球不確定度指標最高的光鐘，相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》，這一突破不僅將鈣離子光鐘精度推至全新量級，更標志著中國在時間頻率基準領(lǐng)域躋身國際第一梯隊。

如果把宇宙138億年的演化史濃縮成一天，這臺鈣離子光鐘從宇宙大爆炸走到今天，時間誤差連一眨眼的功夫都不到，因為它需要運行到相當于如今宇宙年齡的5.2倍的時候，才會誤差一秒；若是用它來計量人類文明五千年，誤差更是小到可以忽略不計。

這也是我國計時器研究方面的重大突破，比該團隊2022年研制的105億年誤差1秒的鈣離子光鐘精度提升了近7倍，讓人類的計時精度邁入了全新的“千億億分之一”時代。

可能很多朋友沒搞懂“光鐘到底是個啥”？簡單來說，光鐘就是利用原子/離子在光學(xué)波段的能級躍遷頻率來計時的精密儀器，相當于給時間找了個“宇宙級精準心跳”。我們?nèi)粘Ｓ玫氖㈢娍烤w振動計時，誤差以秒計；傳統(tǒng)銫原子鐘靠微波波段躍遷，最好的精度也才3.2億年誤差1秒；而光鐘利用的光頻率比微波高10萬倍，理論上就是天生的“精準計時選手”，目前主流的光鐘還有鍶原子光鐘、鋁離子光鐘等，各有技術(shù)側(cè)重 。

而鈣離子光鐘能脫穎而出，背后是高克林團隊近30年的“死磕”。2022年，團隊研制的鈣離子光鐘已經(jīng)達到3E-18的不確定度，本已是行業(yè)佼佼者，但科研人員并沒有停下腳步。此次升級的第二代液氮低溫鈣離子光鐘，核心突破在于啃下了兩個“硬骨頭”：一是創(chuàng)新性采用液氮低溫技術(shù)路線，把黑體輻射頻移的影響降到了極致——要知道，任何高于絕對零度的物體都會發(fā)出電磁輻射，哪怕是室溫下的儀器外殼，都可能干擾離子能級，讓計時出現(xiàn)偏差，液氮低溫就像給光鐘安了個“恒溫金鐘罩”，隔絕了外界的輻射干擾。

二是實現(xiàn)了離子熱運動（宏運動）的精密控制，原子/離子的無規(guī)則運動會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，就像救護車駛過時汽笛聲會變調(diào)一樣，離子運動也會讓其躍遷頻率“跑偏”，團隊通過精準控制，讓鈣離子幾乎保持“靜止狀態(tài)”，從根源上減少了誤差 。

這兩個技術(shù)難題的攻克，直接把鈣離子光鐘的不確定度從E-18量級推進到E-19量級，而4.4E-19這個數(shù)字，翻譯過來就是千億億分之一的誤差率，這意味著這臺光鐘的“心跳”穩(wěn)定到了極致，每一次鈣離子的能級躍遷，都像宇宙設(shè)定好的精準節(jié)拍，不會有絲毫錯亂。

可能有人會問，把鐘造得這么準，除了“炫技”，到底有啥實際用處？答案是，這臺光鐘的精準度，會從基礎(chǔ)科學(xué)到日常生活，層層滲透改變我們的世界，而最直觀的影響，就是讓導(dǎo)航定位的精度實現(xiàn)“質(zhì)的飛躍”。

我們現(xiàn)在用的手機導(dǎo)航、車載GPS，精度能到米級，背后靠的是衛(wèi)星上的原子鐘，但1納秒的時間誤差，就會帶來30厘米的定位偏差。而這臺鈣離子光鐘的超高精度，能讓衛(wèi)星導(dǎo)航的時間同步誤差降到極致，理論上可以把導(dǎo)航精度從米級提升到毫米級——以后開車再也不用擔心導(dǎo)航“偏航”，無人機配送能精準落到家門口的快遞箱，甚至深海探測、航空航天的精準定位，都會因為這臺光鐘迎來新突破。

除了導(dǎo)航，這種光鐘在地球測地學(xué)領(lǐng)域，它能精準測量地球重力場的微小變化，幫助科學(xué)家監(jiān)測地殼運動、預(yù)測地震；在通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，超高精度的時間基準能讓5G、6G通訊的同步性更強，減少信號延遲和干擾。

而在更前沿的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，這臺光鐘更是科學(xué)家的“超級工具”。時間頻率是人類能測量的最準確的物理量，光鐘的精度越高，對基本物理定律的檢驗就越靈敏。比如，科學(xué)家可以用它來探索超越標準模型的新物理，尋找暗物質(zhì)、暗能量的蛛絲馬跡；可以更精準地驗證相對論，研究引力對時間的影響；甚至能幫助我們探索宇宙的起源和演化，解答“宇宙到底有多老”“時空是否存在漣漪”這類終極問題 。

更重要的是，這臺光鐘還為“重新定義1秒”提供了堅實的技術(shù)支撐。我們現(xiàn)在使用的“秒”，是1967年定義的銫原子秒，以銫-133原子的微波躍遷頻率為基準，但隨著科技發(fā)展，銫原子鐘的精度已經(jīng)接近物理極限。

國際計量大會早已決定，要利用光鐘重新定義“秒”，并計劃在2030年做出最終決定 。而中國這臺鈣離子光鐘的超高精度，讓我們在國際“秒定義”的討論中擁有了更多話語權(quán)，未來當新的“秒”定義誕生時，中國的技術(shù)成果將成為重要參考，這不僅是科研實力的體現(xiàn)，更能讓中國在全球時間頻率基準體系中占據(jù)核心位置，維護國家的計量主權(quán)。

從日晷的小時級誤差，到石英鐘的秒級誤差，再到如今鈣離子光鐘的720億年1秒誤差，人類對時間精度的追求，本質(zhì)上是對未知世界的探索欲。高克林團隊近30年磨一劍，造出這臺世界最精準的鈣離子光鐘，不僅是中國科研的一次重大突破，更是人類向宇宙精準探索的一大步。

這臺光鐘的背后，是中國科學(xué)家的堅守和創(chuàng)新，而它的未來，更是充滿無限可能。或許在不久的將來，我們拿著手機導(dǎo)航時，不會想到背后有一臺720億年才差1秒的光鐘在默默支撐；但當我們的腳步能更精準地踏遍地球、甚至走向宇宙時，我們會明白，對精準的極致追求，永遠是人類進步的動力。而中國在時間頻率領(lǐng)域的這一突破，也讓我們在探索宇宙的道路上，擁有了一把更精準的“時間標尺”。

消息來源：《中國新聞網(wǎng)》2月8日報道《中國團隊研制出不確定度指標最高光鐘》網(wǎng)址
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