世界上最精確的時鐘可能使用鉺或鑥運行 - 彭博社

新加坡國立大學的基於鑥的原子鐘。

攝影師：Ore Huiying 為《彭博商業週刊》世界上最精確的鐘表之一最重要的部分是一個紙薄、訂書釘大小的鑥塊。它放置在一個隔音、抗震、迷你冰箱大小的盒子裏，盒子放在一個價值22,000美元的減震桌子上。新加坡國立大學的物理學副教授穆雷·巴雷特伸手去拿那個盒子給我看。“應該沒問題，”他説，帶着他温暖的新西蘭口音。但隨後他猶豫了。我們在一個昏暗的實驗室裏，裏面充滿了激光，激光的光束在晶體和電子設備的陣列中彎曲、分裂和增強。“通常沒問題，”他説，退後一步，遠離他仍在進行中的鐘表。“但我不確定我們是否在運行任何東西。”

巴雷特的鐘表位於大學的量子技術中心，旨在將時間切割成比以往任何鐘錶更小的段落。一個模擬秒錶通常可以將一秒鐘分成10個部分：0.1秒、0.2秒等。理論上，鑥鍾將在小數點右側添加14個零，從而將一秒鐘分割成（大約）一千萬億個部分，並在連續運行30億年時保持在一秒鐘的準確度內。即使是來自保持實驗室環境清潔的排氣扇的最小振動，也足以破壞這種精度——以及實驗室的所有工作。

攝影師：Ore Huiying 為彭博商業週刊到目前為止，具有15位小數精度的時鐘的潛在應用仍然是理論上的和理想化的。但這並沒有阻止世界各地的實驗室競爭，使用不同的元素來達到相同的目標。鉺在某種程度上是最不可能出現在成功努力中的元素。它不僅在自然界中相對稀有；由於其高成本和與其他元素的相似性，其已知應用也很少。因此，研究人員和行業往往會忽視它。如果巴雷特和他的實驗室成功了，鉺的全球市場不會顯著擴大——畢竟，時鐘幾乎不使用它。然而，鉺將迅速成為科學和全球經濟的核心。

所有時鐘通過跟蹤一個重複事件來測量時間。這可以意味着通過日晷上的陰影跟蹤地球的旋轉，或者可以意味着計算擺的擺動。然而，這些計時方法都無法在所有時間和地點產生恆定的測量。温度和濕度會改變機械鐘錶的部件，延長或縮短秒數。基於天文觀測的計時受到地球圍繞太陽軌道不規則性的影響。

到目前為止，人類歷史的大部分時間並不需要太多的精確度，因此時鐘的侷限性從來沒有真正成為問題。然後在19世紀，原子物理學打開了一個普遍、不變的時間定義的可能性。這個想法看似簡單。元素週期表中的每個原子在被精確頻率的輻射轟擊時會獨特地振動。因此，如果在現有的非原子定義的秒的最佳情況下，可以計算出刺激一個原子所需的輻射週期數，世界將擁有一個基於不變原子的新的秒的定義。實際上，它將擁有一個原子鐘。

在近二十年的時間裏，科學家們確定銫是最佳的元素，因為銫的振動相對容易觀察，並且只有一種穩定的形式，因此不需要進行純化。1967年，國際計量大會，一個政府間組織，用測量銫-133振動所需的9,192,631,770次微波振盪所需的時間取代了舊的天文定義的秒。

即使在原子秒被定義之前，科學、軍事和商業領域就對利用更精確的計時產生了濃厚的興趣。美國軍方是原子鐘的最早贊助者之一，1973年，武裝部隊推出了全球定位系統，這是一種超精確的導航網絡，利用配備原子鐘的衞星來測量信號到達地球接收器並反彈回來的時間。

刊登於 彭博商業週刊，2019年9月2日。立即訂閲。攝影師：Tommy Trenchard（霓虹燈），Shawn Records（鈉），Christie Hemm Klok（鈹），Carlotta Cardana（金），Kiliii Yuyan（釹）為彭博商業週刊拍攝導彈和其他軍事技術是GPS的直接受益者。私營部門也受益於從谷歌地圖到現代電信網絡的同步使用GPS。根據2019年6月由科羅拉多州國家標準與技術研究院（NIST）贊助的一項研究，從1984年到2017年，GPS為美國帶來了1.35萬億美元的經濟利益。中國、歐洲和日本也有自己的依賴於原子鐘的衞星導航系統；儘管這種情況不太可能發生，但集體故障將會癱瘓全球經濟。

近二十年來，全球的科學家們一直在致力於改進原子鐘，這些原子鐘使用可見光刺激原子，其振盪速度大約是銫鐘微波的十萬倍。製造這些光學鐘不僅僅是將微波換成激光，將銫換成其他元素的問題。相反，科學家們必須克服一系列科學和技術挑戰，包括哪個元素最適合計時這一基本問題。

候選元素並不缺乏，包括鋁、汞和鍶。目前，領先者似乎是鐿，正在NIST以及歐洲和亞洲的實驗室中由大型、資金充足的團隊進行研究。在2018年底，NIST宣佈一對基於鐿的鐘在精度、穩定性和結果可重複性方面創下了記錄。銩是這一激烈且昂貴競爭的晚期參與者。然而，在相對較短的時間內，得益於穆雷·巴雷特，它證明了自己是一個值得關注且引人入勝的黑馬。

巴雷特在新加坡國立大學。攝影師：Ore Huiying為《彭博商業週刊》拍攝巴雷特並不渴望成為鐘錶製造者。在2002年完成喬治亞理工學院的博士學位後，他研究了原子物理，隨後在NIST的量子計算和信息項目中進行了為期兩年的博士後研究。他在短暫返回新西蘭後，便在新加坡擔任目前的職位。他的研究最初集中在他所稱的“量子信息相關內容”上，這是一個將計算與微小的量子物理世界結合的領域。根據巴雷特的説法，他有一天在辦公室裏“恰好看到了銩，並對精密測量產生了興趣。”他看到我臉上的懷疑，停頓了一下，然後補充道：“這確實是如此隨意。”

即使是微小的温度變化，早期的原子鐘也無法記錄，這些變化對於超敏感的光學鍾來説可能是誤差來源。事實證明，鉺對温度變化的敏感性極低。“我認為，”巴雷特説，“任何對環境敏感性最低的原子將會製造出更好的鐘。”

巴雷特站在他的實驗室裏，周圍是自制的激光器和電子設備，其中一些在黑暗中勾勒出幽靈般的紅線，他用兩把相似長度的尺子來解釋為什麼需要更準確的鐘。他説，這些尺子可以被視為鍾。銫尺以釐米為單位測量；但基於鉺的光學鍾“將以毫米為單位測量”，因此可以更準確地測量世界。這甚至可能允許測量以前無法測量的事物，從而揭示和解決物理學的基本問題。

例如，阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論提出，旅行越快，重力對你的拉扯越大，時間就越慢。為了驗證這一點，科學家們在太空中飛行原子鐘，發現它們相對於地球上的鐘運行得更慢。同樣，山頂上的原子鐘比山腳下的鐘運行得更快，因為那裏重力更強。如果光學鍾能夠縮小到便攜的尺寸，這是巴雷特和其他人正在研究的，那些可測量的時間變化可以用於以前前所未有的細緻地圖繪製地球的地形。從理論上講，它們也可能揭示該地形下的礦藏。

攝影師：Ore Huiying 為彭博商業週刊光學鐘錶的科學母礦將是如此精確的測量，以至於它們可以揭示暗物質，這種神秘物質佔據了宇宙質量的約27%。它的存在僅僅是推測，因為普通物質無法解釋如星系等大質量物體的演化和結構。NIST的基於鐿的鐘表正在達到可能最終足以探測暗物質特徵的精度水平。

在博爾德，記錄創下的NIST鐘錶的項目負責人安德魯·拉德洛尚未慶祝。“現在很難想象一個成熟的光學鐘錶以可以在各地部署的價格點開發出來，”他説。更為複雜的是，光學鐘錶的複雜性意味着它們會有顯著的停機時間。為了使它們作為新的秒的參考，更不用説探測暗物質特徵，它們需要能夠不間斷運行，全天候。“由於這些鐘錶的複雜性和成本，很多應用都是在不需要很多鐘錶的情況下，但需要它們在特殊條件下表現得非常好，”拉德洛説。“各種軍事應用都屬於這一類別。”拉德洛的資助者包括NASA和國防高級研究計劃局，通常簡稱為Darpa。

但光學鐘錶的市場正在逐漸形成。“我接到了一些金融行業人士的聯繫，他們對光學鐘錶產生了普遍的好奇，”拉德洛説。光學鐘錶可能允許交易所對許多交易進行時間戳和排序，以更小的時間增量進行，這一特性對高頻交易者及其對手尤其感興趣。在2016年，對沖基金文藝復興科技公司申請了一項專利，涉及一種依賴於“原子鐘、光學鍾、量子鍾、全球定位系統（GPS）鍾或任何能夠在微秒內測量時間的鐘表”的交易系統。

攝影師：Ore Huiying 為彭博商業週刊當我問他關於金融行業對光鐘的興趣時，巴雷特不自在地笑了。他坐在寬敞辦公室的桌子旁，辦公室對面是他的實驗室，旁邊的白板上滿是箭頭和方程式。他並不是為了尋找更多交易的時間戳而進入物理學的。相反，他説，追求精確“符合我的個性”，他致力於通過無盡的調整來改善任何鐘錶。“困難的部分是知道何時停止並發表，”他説。

巴雷特高興地承認，目前他的實驗室和銩並不是建造定義秒的光鐘的領先者。首先，他的資金遠不如其他團隊。但他所缺乏的資源被“我的原子”的特性所彌補，他説。“我的論點是，如果你能在鐿中製造出準確的鐘表，那麼你一定能在銩中製造出準確的鐘表，而且它應該更準確，因為特性更好。”

新加坡科學技術研究局，一個資助可能使這個城市國家在競爭中受益的研發的政府機構，正在幫助資助他。“他們為什麼要資助它？”巴雷特問。“如果你看看鐘錶的歷史，隨着我們不斷改進它們，新的應用出現，或者我們已有的應用變得越來越好。”

對於任何鐘錶實驗室外的人來説，進展的第一個證據將是秒的新定義。官方上，這最早可以在2022年計劃召開的國際計量大會上實現。但大多數觀察者認為，直到2026年的會議之前，關於哪個元素或鐘錶設計應該作為新秒的基礎不會達成全球共識。現在，巴雷特和其他鐘表製造商一樣，仍然專注於滴答聲。“這就是你在鐘錶行業真正做的事情，”他説。“你問，‘我們如何使這些測量變得越來越好？’ ” 這個故事來自 彭博商業週刊的特刊 元素*。*