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。
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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。
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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 。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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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