3000亿年只差1秒的惊人天花板：人类计时器的极致精准
时间之巅：揭秘人类计时器的绝对精准
门捷列夫曾言：“科学是从测量开始的。”这句话深刻地揭示了测量在科学研究中的重要地位。没有精确的测量，就不可能有现代自然科学的发展。随着测量技术的进步，科学家们能够更准确地捕捉到自然界的细微变化，这不仅有助于验证已有的科学理论，还常常会引领我们发现新的科学规律。例如，在化学领域，门捷列夫正是通过大量的实验数据和精确测量，才得以归纳出元素周期律，从而极大地推动了化学科学的发展。因此，可以说每一次测量精度的提升都是一次科学进步的契机。 这种观点强调了测量在科学研究中的基石作用，提醒我们在追求科学真理的过程中，不应忽视任何一次测量的精确性。同时，这也鼓励科研工作者不断探索更先进的测量技术和方法，以期在科学研究中取得更大的突破。
门捷列夫，发现并归纳元素周期律的科学家
在前一篇文章中，我们主要探讨了量子精密测量的基本原理及其独特优势。与传统的经典精密测量不同，量子精密测量利用自然界中的微观粒子作为物理测量的标准，这使得测量结果在理论上具备极高的参数稳定性。此外，量子精密测量方案还充分利用了微观粒子固有的量子效应，将其作为“量子之尺”以精确反映待测物理量的变化，从而超越了经典精密测量的精度极限。
在这篇文章中，我们即将探索一种名为“量子之尺”的创新技术。这种工具能够以前所未有的精确度测量时间，这无疑为科学研究开辟了新的道路。随着科技的进步，我们对时间的理解也正在不断深化。从某种意义上说，“量子之尺”不仅代表了时间测量领域的一次革命，更是人类智慧与创造力的体现。未来，我们有理由期待它在多个领域的应用，比如导航系统、通信技术以及基础物理研究等，都将产生深远的影响。 发表的看法观点：这项技术的发展标志着人类在探索微观世界规律方面取得了重要进展，同时也展示了科学与工程学结合所带来的无限可能。随着相关研究的深入，相信“量子之尺”将不仅仅局限于理论层面的突破，更会在实际应用中展现出其巨大的潜力和价值。
寻觅精密时间的脚步
在正式分享第一把“量子之尺”的故事之前，我们先来探讨一个既熟悉又陌生的问题：如何才能精确地测量时间呢？ 精确测量时间一直是人类追求的目标。从古代的日晷到今天的原子钟，技术的进步使我们能够越来越准确地捕捉时间的脚步。然而，即使现代科技已经非常先进，精确测量时间仍面临诸多挑战。例如，尽管原子钟可以达到每天仅误差一秒的精度，但科学家们仍在探索更精准的方法。而“量子之尺”正是这样一种前沿技术，它或许能为时间测量带来革命性的突破。 随着量子技术的发展，利用量子态的叠加和纠缠特性进行高精度计时成为可能。这不仅会极大地提高时间测量的准确性，还可能推动其他领域如导航和通信的技术革新。因此，“量子之尺”的问世不仅是科技进步的象征，也是未来可能性的预示。
或许你会回答，表。
但其实，这个问题并没有统一的标准答案，因为理论上任何重复发生的自然现象都可以作为衡量时间的基准。钟表只是我们在日常生活中应用这一原理来测量时间的一种工具。
在早期文明阶段，人类根据天体运动的周期性现象，来粗略地划分时间并以此作为计时标准。比如，我们可以借助地球绕太阳公转和自转的周期，粗略地定义“一年”和“一天”。同样地，我们还可以通过观察太阳在不同时间点投射到地面的影子，制作出日晷，从而大致记录各个时刻。
基于地球自转和公转来定义“天”和“年”的概念
我们现在不再使用这种原始方式进行精密测量了，这是由于天体运动的周期并不均匀，并且这种测量方式也极易受到天气等自然因素的干扰。这就导致早期的时间测量结果总是存在较大的偏差。
进入工业文明阶段，人们注意到一些工业产品中的机械振动周期非常短，而且这些振动还具有很高的稳定性。因此，科学家们开始尝试将这种机械振动的固定周期作为精密测量时间的基础，从而显著提升了时间测量的精度。 这种创新不仅推动了时间计量技术的发展，也为多个领域带来了深远的影响。例如，在现代科技和工程应用中，高精度的时间测量是实现精确控制和高效运作的关键因素。此外，这种基于机械振动的时间测量方法也促进了其他相关科学领域的进步，如物理学和材料科学等。
例如，我们可以利用机械振动周期极短的石英振荡器，制备出计时极其精确的石英钟。石英钟能够计时的原理是，给石英振荡器通电，它就可以持续输出稳定的机械振动周期，这样就能用于精密测量时间了。
基于石英振荡器进行精密计时的石英钟
现今世界上最精准的石英钟，其计时的准确度能达到十万分之一秒，也就是说，每经过大约270年它就会产生1秒的测量误差。这样的误差来源于不可避免的工艺缺陷和性能老化等原因。
对于我们的日常生活而言，这样的误差已经微不足道，完全可以满足我们对时间测量的需求。然而，在科研等领域，这些误差却远远不够，因为这些领域对精准度有着更高的要求。 在科技不断进步的今天，我们仍需关注那些细微的误差。尽管在日常生活中，这些误差几乎不会对我们造成任何影响，但它们可能在科学研究中引发重大问题。因此，我们需要持续推动技术发展，以消除这些微小的误差，从而确保各个领域的研究工作能够更加准确和可靠。
因此，科学家们将注意力转向了微观世界的奇异量子特性，期望能够发现更为精确且稳定的振动周期，进而进一步提升时间测量的精度。
在原子中找到答案
幸运的是，科学家们发现，在单个原子内部存在极其稳定的振动周期，即所谓的“原子能级跃迁”。这意味着，我们不再依赖于人造的时间测量基准，而是开始利用单个原子作为天然的时钟，从而真正进入了量子精密测量的时代。 这一突破性进展不仅展示了现代科技的无限潜力，也预示着时间测量领域将迎来一场革命。原子钟的精确度远超传统计时工具，这将对科学研究、导航系统乃至日常生活产生深远的影响。例如，在卫星定位系统中，即使微小的时间误差也可能导致位置信息的巨大偏差。因此，基于原子钟的高精度计时技术将成为未来发展的关键所在。
那么什么是原子能量跃迁呢？
在经典物理学的描述中，每一个原子都由原子核和核外电子构成，核外电子就像太阳系中绕轨运动的行星一样，总是围绕中心的原子核进行圆周运动，这就是我们中学课堂上熟悉的卢瑟福行星模型。说出来大家可能不信，这种基于经典物理学所描述的行星模型其实是错误的，这是因为卢瑟福行星模型本身就蕴含着一个深刻的物理学矛盾。
卢瑟福提出的原子模型形象地描绘了电子在原子核外围绕着中心的原子核旋转的情景。这个模型进一步揭示，原子核是由更小的粒子——质子和中子组成的。这种结构使我们能够更好地理解原子内部的基本组成单元及其相互作用方式。 从这个模型出发，我们可以更深入地思考原子如何通过其外层电子与其它原子相互作用形成分子或化合物。此外，卢瑟福模型虽然为我们提供了早期的原子结构认识，但现代科学已经发展出更为复杂的模型来解释量子力学下的原子行为。尽管如此，卢瑟福的贡献仍然在物理学史上占有重要地位，它不仅推动了原子理论的发展，也为后续科学家们的研究奠定了基础。
由于原子核带有正电荷，核外电子本身带有负电荷，当核外电子绕着中心的原子核进行运动时，旋转状态下的核外电子就会向周围的空间中辐射电磁波。而随着核外电子不断地向外辐射电磁波，原子系统本身的总能量也在逐渐减少，这样一来，核外电子绕核运动的半径也会越来越小，并且将会沿着螺旋运动轨迹不断地接近中心的原子核。直到最后，核外电子将与带有正电荷的原子核相撞，从而发生电荷湮灭，最终导致原子结构的坍塌。这样的话，单个原子应该是不可能存在的。
为了解决经典物理学中关于原子模型的难题，物理学家尼尔斯·玻尔提出了一个基于量子化假设的原子模型。在这个新的模型中，核外电子不再沿经典轨道运动，而是只能存在于原子核外的一系列不连续能量状态上。这些分立的能量状态被称为“能级结构”。
也就是说，当核外电子不再像行星一样围绕原子核做圆周运动，而是在不同的轨道上以概率云的形式分布时，这揭示了量子力学中的一个重要概念。尤其值得注意的是，当原子受到特定频率的激光或微波场驱动时，核外电子能在特定的分立能级间迅速跃迁，这一过程通常仅需0.01纳秒就能完成。因此，基于量子化原子模型的这种电子跃迁特性，我们称之为“原子能级跃迁”。 这种瞬时跃迁现象不仅展示了量子世界中的奇妙规律，同时也为科学研究和技术应用提供了无限可能。例如，在量子计算领域，通过精确控制电子能级跃迁，可以极大地提高运算速度和效率。此外，对于材料科学而言，理解这些跃迁机制有助于开发新型光电材料，从而推动能源转换与存储技术的进步。总之，原子能级跃迁不仅是理论物理学的一个重要组成部分，也是连接基础研究与实际应用的桥梁。
由于原子能级间的跃迁只能是通过外界施加激光场、微波场等来实现，也就不存在所谓的原子结构的坍塌。因此，量子化假设的原子模型完美地解决了卢瑟福行星模型中的矛盾点。
核外电子在不同原子间进行跃迁时（例如，核外电子从n=3能级跃迁到n=2能级），并不需要经过这两个能级之间的整个路径，而是可以直接“瞬移”至目标能级，整个过程仅需0.01纳秒。
随着对原子结构研究的不断深入，科学家们已经能够精确测量出不同原子的能级结构。例如，铯-133原子中两个超精细能级之间的能级差为9.192631770GHz。这意味着，当铯-133原子的核外电子在这两个能级间发生跃迁时，可以在短短一秒钟内完成超过90亿次的快速振动，其振动周期远远小于之前提到的晶体振荡器（后者在一秒钟内大约振动10万次）。
由于原子的能级结构是由其固有的物理属性所决定，因此展现出极高的天然稳定性。同时，相同种类的原子具有相同的能级结构。这意味着，采用原子能级跃迁的量子特性来进行精确计时的方法，不仅不易受外界环境的影响，还能避免因生产批次不同而导致的技术差异。
正因如此，科学家们利用原子能级跃迁这一独特的性质，将其转化为一把“量子之尺”，并以此为基础，打造出一台极其精准的时钟。这台时钟因其形象生动的特点，也被赋予了一个更为直观的名字——原子钟。
世界上最精确的钟
由于其卓越的天然稳定性和极高的时间测量精度，这种利用原子能级跃迁特性制造的原子钟一经推出，便引起了学术界和工业界的极大关注。
科学家们利用铯-133原子成功研发出了极为精准的铯原子钟。研究结果显示，这种铯原子钟的时间测量精度能够达到0.00000000001秒（没错，小数点后面有10个0）。这表明，铯原子钟在运行一亿年后仅会产生大约1秒的计时误差，从而超越了传统时间测量方法的精度极限。
铯-133原子的结构示意图
其实早在1967年，第13届国际计量大会就以铯原子钟为全新的计时基准，并且重新定义了一秒的概念。即，在铯-133原子基态的两个超精细能级间，完成9192631770次周期振荡的持续时间。
为了进一步提升时间测量的精度，科学家们研发出了基于锶原子和镱原子的新型原子钟。其中，锶-87原子的核外电子在一秒内能够完成近1000万亿次的快速振动，这意味着“锶原子钟”的时间测量精度可达到0.0000000000000001秒，即小数点后有15个零。 这种高精度的时间测量技术不仅为科学研究提供了强有力的支持，也将在导航系统、通信网络以及天文观测等多个领域带来革命性的变化。随着这些技术的发展和应用，我们有理由相信未来的世界将会更加精准和高效。
利用锶原子钟在毫米尺度下验证广义相对论
就在2022年，来自于美国科罗拉多大学JILA实验室的叶军团队，就制造出了世界上最精确的“锶原子钟”，其时间测量的精度可以达到3000亿年只有1秒的误差，相关研究成果发表于《Nature》期刊上。这意味着，在整个宇宙年龄的时间尺度上（大约138亿年），最精确的原子钟误差还不到0.05秒。
结语
不难发现，其实时间的量子精密测量并不神秘，它是利用量子力学中独特的原子能级跃迁特性，将普通的原子转变为“量子之尺”，从而成为新的时间测量标准。
除了原子钟之外，科学家们已经利用量子精密测量技术在重力场、磁场等重要物理量上实现了高灵敏度测量，并且这些技术已经在实际生产和生活中得到了广泛应用。而被称为第二把“量子之尺”的技术，则主要基于量子纠缠这一独特性质。通过量子纠缠，即使相隔遥远，两个粒子的状态依然能够瞬间相互影响。这种特性使得量子精密测量不仅限于局部区域，还能够在更广阔的范围内实现精确测量。 这些技术的潜力远不止于此，它们在未来的导航系统、地质勘探、医学成像以及基础科学研究等领域都将发挥重要作用。可以预见，随着量子科技的发展，我们将能够以更高的精度和效率解决一系列复杂的科学和工程问题。这不仅是科技进步的重要标志，也将深刻地改变我们的生产和生活方式。