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从每一个人的学习工作安排，到整个社会的有序运转，时间对于我们实在太重要了。小学生学习写作文后都知道，记叙文的基本要素有时间、地点、人物和事件。

时间是什么，又如何去测量和共享时间？对这些问题的探究贯穿整个人类文明史。春去秋来，物换星移，大自然的变化让古人感受到了时间的存在，同时也意识到可以利用自然界中的这些周期现象来度量时间。人们曾用各种不同的方式去记录时间的流逝。

“日出扶桑,入于咸池”，通过太阳的东升西落，我们知道了“一天”有多长；“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，通过月相变幻，我们定义了“一月”；“春生夏长，秋收冬藏”，四季循环让我们感受到了“一年”。这些时间标准都是基于天体运动的周期，例如地球的自转、公转。单摆摆动、弹簧振动等等，它们也具有周期性，利用这些机械运动的周期，人们制造出机械钟表来测量时间。还有物体在阳光下的投影、漏壶稳定的滴水，这些现象也都体现出了周期变化的性质，因此我们有了日晷、水钟……原则上，任何周期性现象都可以作为我们的时间标准。

然而，地球的自转公转周期也存在不均匀，单摆的摆动避免不了摩擦等因素的影响，日晷、水钟会受到环境湿度温度的影响……这些因素都影响了时间测量的精确性，逐渐不能满足人们如今对时间精度的要求。能否找到一个更稳定、更精确的周期现象，从而提升我们对时间的测量精度呢？

让我们把目光从运转有序的天体转向神奇的量子世界。世界由微小的原子组成，每一个原子都可以看成是一个结构稳定的量子系统，在原子核的束缚之下，核外电子在特定的能级轨道上不断演化、运动。

原子具有不同的能级，电子在两个能级间发生跃迁时，会产生或吸收电磁波。量子理论则告诉我们，两个能级的能量差决定了电磁波的频率（能量差只需除去一个普朗克常量h，就是电磁波的频率了）。原子的能级结构很稳定，与之相应的电磁波频率也就是稳定的了。而所谓频率，即是单位时间内的振动次数，知道了频率，也就得到了时间。通常，我们把时间和频率统称为时频。看！原子的性质给予了我们测量时间的一个新途径。

除了稳定，另一个重要的事情是，原子的共振频率很高，例如铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁频率是9,192,631,770赫兹，也就是说，1秒钟振动超过90亿次。振动频率越高，计时就会越精确，这就像测量长度的尺子，刻度越密，测量精度就越高。

基于以上事实，原子钟诞生了。利用和原子的共振，我们可以制造出频率高且稳定的振荡器，进而去实现极高的时间测量精度。

正因为原子钟的优异性能，在第13届国际度量衡会议上，秒被重新定义了。秒由铯原子钟来定义，从此，时间基准所依据的不再是天体规律，而是量子世界中原子的行为。铯原子钟可以做到一亿年只有1秒的误差。

铯原子钟的频率在微波波段，现在科学家们又开发了锶、镱等新型原子钟，它们的频率要更高，在光学波段，因此被称作“光学原子钟”，简称“光钟”。光钟的测量精度现在已经可以做到千亿亿分之一，即10^-19，在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差还不到1秒。

（墨子沙龙 制作）

人们是如何不断提升“钟表”性能的，是一个激动人心的故事，但是到这里，故事还不完整。另一半故事是：我们还需要把精准的时间传播出去。当想知道现在的时间时，你会怎么做？当然不是跑到量子实验室去求助光钟，你会看下电脑上的钟表。我们电脑中有一个内置的计时钟表，而为了校正不断积累产生的计时误差，每隔一段时间，通过网络连接，它会和标准“北京时间”进行比对和同步。而北京时间基于的是国家授时中心的原子钟时间。

精确的计时不应局限于高冷的实验室，还要飞入寻常百姓家，因此，我们不仅要有最精确的原子钟，还要有与之精度相匹配的时间传递技术。准确、稳定的时间基准和高精度的时频传递，两者同样重要。

目前常用的时频传递方式有微波和光纤。利用光纤，已经能实现精度很高的时间传递，可以满足最精确光钟的要求，但光纤有其局限性，例如一些偏远地区还没有铺设光纤，也无法满足海上导航和定位的需要；另外，要实现全球性的时频传递网络，我们也需要在自由空间传输的技术，例如微波传输技术。我们知道，微波的频率要比可见光频率低很多，这就像一把刻度疏松的尺子，在根本上限制了微波时间传递的精度。利用微波，无法满足光钟时间精度的传递需要。

光给予我们精度10^-19的时间标准，如何实现精度10^-19的时间传递呢，我们同样求助于光。在这个世界上，有不同的光源，比如太阳光是遍布各种频率的连续光、我们常见的激光是单一频率的光源，还有另一种神奇的激光——光学频率梳，即光梳。

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光梳是一种超短脉冲激光，其光谱具有很奇特的性质：含有一系列不同的频率信号，而且这些频率是离散、等间距的。这些光学频率信号就像一个个梳齿，因此这种激光得名“光梳”。在时间上，光梳相邻脉冲的间隔比普通脉冲激光也具有更高的精度。

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光梳的出现让人们可以更加精确、也更为容易的去测量频率和时间间隔。因其重要性，对光梳技术做出开创性贡献的约翰·霍尔（John Hall）和特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）获得了诺贝尔奖。光梳技术现在已经广泛应用于光钟、激光雷达、天文观测等等领域。

随着光钟技术的发展，光钟很有可能成为下一代时间频率标准。全球性光钟网络的建立，亟需高精度的自由空间时频传递技术。光梳在其中发挥着关键作用。最近，中国科学技术大学团队基于光梳技术成功实现了自由空间中相距113公里的时频传递，精度达到10^-19水平，满足了目前最高精度光钟的需求。

（墨子沙龙 制作）

地面附近自由空间的环境远比光纤中要复杂、要嘈杂，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等等因素给自由空间中的长距离时频传递带来了极大困难。之前，自由空间中的光频传输技术只能实现10公里量级的传输距离。

中国科大团队向这一难题发起挑战——在光源方面，研制出高功率高稳定度光梳，在光信号收发信道方面，研制出高稳定性且高效率的光收发望远镜系统，另外采用线性光学采样的干涉测量方式实现高精度的时间测量。经过一系列技术攻关，最终基于双飞秒光梳和线性光学采样，在相隔113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间实现了万秒10^-19量级稳定度的时频传递。

（图片来自研究论文）

这一突破不仅带来地面上远距离时频传递的应用，还为未来基于中高轨卫星的高精度星地时频传递奠定了基础。

在奥运赛场，百米大战最为激动人心，胜负往往在毫厘之间，我们直观上感觉到精确计时的重要性。东京奥运会采用高精度计时器，每秒可以捕捉10,000幅数码影像。在科学领域，时间的测量精度就更高得多了，精度已经步入10^-19量级。作为七大基本物理量之一的时间，是目前测量最精确的物理量。人们不断在理论和技术上进行探索来提高时间测量精度，是为了什么呢？

精确的测量有望带给我们对世界的全新认识。一百多年前，著名物理学家开尔文勋爵就认为“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”，精密计量学的意义可见一斑。2005年诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔更是说“计量学是科学之母”。时间的精确测量和传递，将使人们能够对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等等基础物理进行实验检验。测量结果的微小不同，带给我们的却可能是时空观念的转变。

时间的精确测量也可以让我们的生活更便利。例如，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，我们的生活早已离不开导航和定位，要想定位更准确，比如精确到米以下，就需要更好的计时精度。在大地测量、地质勘探、雷达探测等等涉及社会民生的领域，精确的时间也都将发挥重要作用。

光钟以及光频传递技术的发展，有望让人们重新定义“秒”。现在秒的定义在1967年被确定，是由铯原子钟来定义的。经过几十年的发展，时间测量与比对的精确程度已经比原有定义优异两个以上数量级，因此国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义的变更。秒是七大基本物理量之一，且目前其他基本物理量（除物质的量外）均直接或间接与时频标准相联系。因此，新的“秒”定义将给整个科学领域甚至社会的方方面面带来改变。

（撰文：王佳）

感谢沈奇、管建宇老师对本科普文章撰写的指导和帮助。