在人类不断追求完美的过程中，科学家们开发出了一种比以前制造的任何时钟都更精确的原子钟。新时钟是由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合机构美国天体物理联合实验室（JILA）的研究人员建造的。
该时钟能够在广阔的空间中进行精确导航，并搜索新的粒子，是最新的超越计时的时钟。随着精度的提高，这些下一代计时器可以揭示隐藏的地下矿床，并以前所未有的严谨性测试广义相对论等基本理论。对于原子钟建筑师来说，这不仅仅是为了建造一个更好的时钟；这是关于揭开宇宙的秘密，为将塑造我们未来几代人的世界的技术铺平道路。
世界科学界正在考虑以这些下一代光学原子钟为基础，重新定义第二种时间单位，即国际时间单位。现有的一代原子钟用微波照射原子来测量秒。这一波新的时钟用频率高得多的可见光波照射原子，以更精确地计算秒数。与目前的微波钟相比，光学钟有望为国际计时提供更高的精度——可能每300亿年只损失一秒。
但在这些原子钟能够以如此高的精度运行之前，它们需要具有非常高的精度；换句话说，他们必须能够测量极小的一秒钟。实现高精度和高精度可能会产生巨大的影响。
困在时间里
新的JILA时钟使用一种被称为“光学晶格”的光网络来同时捕获和测量数以万计的单个原子。拥有如此大的合奏在精度上提供了巨大的优势。测量的原子越多，时钟就有越多的数据来精确测量秒。
为了实现新的破纪录性能，与以前的光学晶格时钟相比，JILA的研究人员使用了更浅、更温和的激光“网”来捕获原子。这大大减少了两个主要的误差来源——捕获原子的激光效应，以及当原子堆积得太紧时相互碰撞的效应。
研究人员在《Physical Review Letters》期刊上描述了他们的进展。
在最小尺度上计时相对论
NIST和JILA物理学家Jun Ye表示：“这个时钟非常精确，即使在微观尺度上，也能探测到广义相对论等理论预测的微小效应。它正在突破计时的极限。”
广义相对论是爱因斯坦的理论，描述了引力是如何由空间和时间的扭曲引起的。广义相对论的一个关键预测是，时间本身受到引力的影响——引力场越强，时间过得越慢。
这种新的时钟设计可以在亚毫米级（大约一根头发的厚度）检测相对论性对计时的影响。将时钟升高或降低这么小的距离，就足以让研究人员辨别出重力效应引起的时间流动的微小变化。
这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力可以显著弥合微观量子领域与广义相对论所描述的大规模现象之间的差距。
太空导航与量子进展
更精确的原子钟还可以实现更精确的太空导航和探索。随着人类冒险深入太阳系，时钟将需要在很远的距离上保持精确的时间。即使是计时中的微小错误也会导致导航错误，而导航错误会随着你走得更远而呈指数级增长。
叶说：“如果我们想让航天器以精确的精度降落在火星上，我们需要比现在的GPS精确几个数量级的时钟。这个新时钟是实现这一目标的重要一步。”
用于捕获和控制原子的相同方法也可能在量子计算方面取得突破。量子计算机需要能够精确地操纵单个原子或分子的内部性质来进行计算。控制和测量微观量子系统的进展大大推动了这一努力。
通过冒险进入量子力学和广义相对论交叉的微观领域，研究人员正在为了解现实本身的基本性质打开一扇新的大门。从时间流被引力扭曲的无穷小尺度，到暗物质和暗能量占据主导地位的广阔宇宙边界，这只钟的精密度有望揭示宇宙中一些最深的奥秘。
“我们正在探索测量科学的前沿，”Ye表示。“当你能够以这种精度测量事物时，你就会开始看到我们迄今为止只能理论化的现象。”
