160亿年误差为1秒的超高精度原子钟，能为我们做什么

雁丘客

假设我们能够测量地壳运动到达两个不同位置的时间差，就可以对比它们的重力等特征，从而可以掌握地球的地壳运动，火山活动情况等。通常，这种时间差是非常小的，普通的计量设备根本无法测量，而近几年，东京大学理化学研究所做到了，他们研发出一种超高精度原子钟，计时误差达到160亿年仅为1秒。假以时日，这种超高精度的原子钟真有可能帮助我们预测火山爆发乃至地震。

我们先来看看超高精度原子钟到底是怎么实现的。

这台超高精度原子钟长的是这个样子的：

那么什么是原子钟？

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。

从古至今，人类为了计时采用了不同的时间尺度—远古时期，人类以太阳的东升西落作为时间尺度；公元前二世纪，人们发明了地平日晷，一天差15分钟；一千多年前的希腊和我国的北宋时期，曾设计出水钟，精确到每日10分钟误差；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时；到了十七世纪，单摆用于机械钟，使计时精度提高近一百倍；直到上世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。

即使如此精确，但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

而原子钟的精度大大提高，对研究相对论来说，是一个非常完美的工具。那么原子钟是如何计时呢？

在东京大学研发超高精度原子钟时，选择了比铯原子能更精密测量时间的锶原子进行实验，用激光将锶原子封闭在十万分之二毫米左右的格子状空间内，然后计算其振动数。此前，由于封闭原子的外壁释放电磁波会影响原子固有振动数，使振动数无法保持一致，这成为提高光晶格钟精确度的最大难点。

研究小组注意到，在低温环境下，原子不易受电磁波影响，为此开发出能在零下170摄氏度下工作的光晶格钟，最终实现了160亿年才有1秒误差。那么不同地点的时间为什么不一样呢，对很多人来说，时间有快慢可能还是很难理解的，我们再简单说一说。

在《星际穿越》这部电影中有两个关键词：引力和黑洞。爱因斯坦把引力、时间、空间这三个看似毫无关系的东西紧密联系在一起。宇宙万物都放在一个由时间和空间编织的结构体中。

右：时空富有弹性，质量越大，凹下去越明显。这就是时空的弯曲，引力就是时空弯曲的表现。而质量无限大，体积却很小的就是黑洞）

在电影中，米勒星球的一个小时，相当于地球上的七年。这是为什么？影响时间快慢的因素有两个：引力和速度，引力越大，时间越慢；速度越快，时间越慢。

米勒星球附近有个质量是太阳1亿倍的大黑洞，因此承受的引力相当大。它围绕大黑洞最近的轨道上稳定公转，线速度达到光速的一半左右。从远处看，它每秒中就要绕黑洞转10圈。这两个因素导致了米勒星球上的时间非常慢。

由相对论我们知道不同引力不同速度会引起时间快慢变化，科学家们也在不断尝试利用相对论（宏观）和量子力学（微观）来解释宇宙变化规律。在地球上，局部重力突然发生变化的例子有很多的，比如我们开始提到的火山喷发等原因。而地球表面上不同高度的时间也不同，我们可以理解为地球绕太阳公转时，不同高度的线速度不同，导致时间也不同。一般来说，这种时间差非常小，需要高精度设备才能测量出来。东京大学的香取教授等就利用他们开发的超高精度原子钟实现了这种测量功能。他们做了这样一个实验:选取两个不同位置，分别放置一台超高精度原子钟，然后通过微小的时间差，测得两地的高度差。最后实验结果显示，误差仅为5cm！

一般测量某地高度的方法是水准测量法，水准测量的基本原理是测定两点间的高差，从而根据已知点高程而推算出未知点的高程。求两点高差的方法如下图所示：

水准测量的误差是不可避免的，包括仪器误差，温度变化和光的折射带来的影响等等。如果是远距离的两地的标高测量，误差则会叠加，而用超高精度原子钟则不会出现这个问题。

超高精度原子钟可以为我们做什么？

我们知道火山喷发，会引起地壳的局部运动，局部重力也会发生变化，那么这些变化都可以被这个原子钟捕捉。我们可以实时监测火山群的动态变化，地下空洞形成和岩浆喷发引起的重力变化，比如地震爆发前，地壳运动可能很早就开始了，岩浆和岩石的运动缓缓进行，我们从地上可能很难感觉到，而这些地壳活动都可以被这个原子钟检测到，从数小时到数十年广泛的时间范围内捕捉微小变化。

矿物探索

在相同高度不同地点放置超高精度原子钟，当地下含有非常矿物时，地表重力相对而言会大一些，那么可以根据原子钟显示的时间差得知矿物的位置。

GPS距离测量

在GPS卫星上搭载小型原子钟，根据发射的电波速度和传递时间，可以测得不同距离。也可以实现高精度的地图绘制等功能。

医疗诊断设备节能省电

可以把此原子钟制造关键技术之一——光周波数频率梳应用于对病人进行快速、非接触式呼吸分析的设备上，大大降低设备上的电力消耗。

结语

这种超高精度原子钟在计时方面的突出功能，似的它的发挥空间远远不止局限于简单的计时，一般的地理测量和土木建设方面的应用更是得心应手。而通过监测地壳运动引起的重力变化，又可以让它在地震预测、火山爆发，地质勘探方面发挥作用。目前这个神器尚处于研发阶段，极高的精度为它未来的带来无限的可能。在今后又会有哪些意想不到的新应用呢，我们拭目以待。

参考文献

http://www.jst.go.jp/pr/announce/20160816/

http://www.jst.go.jp/erato/katori/feature/

https://www.zhihu.com/question/26552560/answer/94504071

https://synodos.jp/science/14489