1967年，時間經歷了一次重大轉變。就在這一年，時間的關鍵增量“秒”的定義從一年的極小組成部分變為更加穩定和基本的單位：銫原子吸收和發出的輻射進行一定數量循環所需要的時間。
國際單位制正式採用了這一變化，其主要動力源自技術的飛躍。從20世紀10年代到50年代中期，最精確的計時方法是將最好的石英時鐘與地球圍繞太陽的轉動保持同步。這是通過使用望遠鏡和其他儀器定期測量恆星劃過天空的運動來完成的。但在1955年，這一方法的準確性被首臺銫原子鐘輕鬆超越，該銫原子鐘在位於倫敦郊區的英國國家物理實驗室首次亮相。
銫鐘本質上是異常精確的振盪器，利用微波輻射激發電子，確定銫原子某一內在頻率的準確位置。這一技術首次出現後，研究人員終於可以解決他們先前時間標準內存在的一個已知缺陷：即地球自轉中輕微、不規律的加速和減速。現在，銫鐘已無處不在，以至於我們常常會忘記它們對於現代生活不可或缺的重要性：它們催生了全球定位系統，幫助同步互聯網和手機通信，實現望遠鏡陣列互聯，以及用於測試基礎物理學。通過我們的手機或者低頻無線電同步技術，銫時間標準逐步融入我們日常使用的很多時鐘。
自1955年以來，銫鐘的精確度已大幅改進，每10年提高10倍左右。如今，基於銫鐘的計時每天累積誤差僅為0.02納秒。如果我們在地球誕生之初（大約45億年前）就開始使用銫鐘計時，那麼現在也僅偏離大約30秒而已。
但是我們可以做得更好。新一代的自動時鐘使用激光代替微波輻射，可以更精細地劃分時間。大約6年前，研究人員完成了這類光學鐘的單離子版本，使用一個鋁離子或汞離子製成。相較於銫鐘，這些時鐘的精確度又高出了一個數量級。
現在，這項技術的一個新分支——光晶格鍾（OLC）佔據領先地位。單離子時鐘每次只產生一個頻率測量值，而光晶格鍾則可通過一個強大的持續激光束同時測量數千個原子，降低了統計的不確定性。在過去幾年內，這類時鐘在精確度和穩定性上都超過了性能最佳的單離子光學鍾。隨著進一步的研發，光晶格鍾將會實現138億年——宇宙誕生至今的時間——的偏差不超過1秒。
那麼，為什麼你要關心這類精度驚人的時鐘呢？因為它們已經帶來了深遠影響。一些科學家將光晶格鍾作為檢驗基本物理學的工具。而另一些科學家正在研究一種可能性，即是否可以使用光晶格鍾來更好地測量地球上各點時間流逝速度之間的差值，這是由於愛因斯坦廣義相對論所描述的重力對時間之扭曲而引起的。測量此類微小擾動的能力似乎異常深奧，令人難以企及。但這卻可能具有重要的實際應用價值。比如說，我們可以提高預測火山爆發和地震的能力，更可靠地檢測石油和地下天然氣，並且在不久的將來，光晶格鍾可能再一次改變我們定義時間的方式。
根據量子力學規律，一個電子被約束到一個原子上的能量是量子化的。這就意味著，一個電子只能佔用圍繞原子核的離散數量的軌道區域或軌道，儘管它可以通過吸收或發射電磁輻射形式的能量，從一個軌道躍遷至另一軌道。由於能量是守恆的，因此僅在這種輻射頻率對應的能量與涉及相關的兩個軌道之間的能量差匹配時，才會發生上述吸收或發射。
原子鐘利用上述行為進行計時，原子（例如銫原子）經過操控，以便所有電子都佔用能量最低的軌道。然後，原子被一個特定的電磁輻射頻率擊中，從而導致一個電子躍遷到一個能量更高的軌道——激發的“時鐘狀態”。這種躍遷的可能性取決於指向原子的輻射頻率：越接近於時鐘躍遷的實際頻率，躍遷發生的概率就越高。
為了探究躍遷發生的頻率，科學家們使用第二輻射源，將仍處於最低能量狀態的電子激發進入一種短暫的、能量更高的狀態。這些電子每次從這種瞬時狀態恢復後就會釋放光子，並且由此產生的輻射可被光傳感器（例如照相機或光電倍增管）捕獲。
如果檢測到少量光子，則意味著大部分電子在進行時鐘躍遷，並且傳入頻率可很好地匹配。如果正在釋放許多光子，則意味著大多數電子沒有被時鐘信號激發。一個伺服驅動的反饋環路被用於調諧輻射源，以便其頻率總是接近原子躍遷。
將這種基準頻率轉換成以秒為單位走動的時鐘還需要其他步驟方可完成。一般來說，在原子鐘內測量的頻率用於校準其他頻率源，如氫微波激射器和石英鐘。使用基本模擬電路製成的“計數器”可連接到氫微波激射器，將其電磁信號轉換成以秒為單位指示時間的時鐘。
當今最常見的原子鐘使用銫-133原子，銫-133原子具有位於電子頻譜微波範圍內的電子躍遷。如果該原子保持在絕對零度且不受擾動（之後擾動立即增加），這種躍遷將在9192631770赫茲的頻率上發生。而事實上，這就是我們在國際單位制內定義“秒”的方式，即9192631770赫茲輻射的9192631770個週期的持續時間。
實際上，銫-133並非一個完美的“鐘擺”。由於其不完美的環境，原子會受到各種形式的擾動。例如，在實驗室內，一個原子穿過空間的速度可以很容易地達到100米/秒，這種動作可通過多普勒效應轉變電子躍遷的頻率。就是這種現象影響了救護車報警器以及其他面向收聽者的聲源的音調。與其他原子的電子雲之間的互動也可改變電子狀態的能量，這種互動會使得電子偏離外部電磁場。
擾動會降低時鐘的精確度：即原子的平均頻率偏離其自然、未受干擾的值的差值。其中一些此類偏移可以去除，並且時鐘設計的更改也有助於儘量減少這類偏移。事實上，其中最引人注目的一次改進發生於20世紀90年代早期，當時物理學家研發了噴泉鍾。這種時鐘使用一束激光向上發射冷卻的銫原子，彷彿它們是從噴泉噴出的水滴，這樣，向上運動導致的多普勒偏移幾乎抵消了原子下落時產生的所有偏移。
但是現在的銫鐘已無法再改進了。微小的提高也越來越難以實現，並且我們目前努力作出的任何改進都將需要很長時間。這是因為銫鐘正提高我們用於評估時鐘的其他關鍵指標的上限：它們的頻率穩定性。
頻率穩定性表示時鐘頻率隨時間波動的方式。頻率越不穩定，頻率噪聲就越大，因此時鐘頻率有時會略高於或略低於平均值。
通過細緻的工程設計，可以儘量減少大部分頻率噪聲來源。但仍存在一個根本的不穩定來源，非常難以克服，因為它源自量子力學的概率性質。要理解這一點，讓我們回顧一下原子鐘的基本工作原理。
我們通常會使用頻率與躍遷頻率不完全匹配的輻射激發原子鐘內的電子。這是因為將被激發的電子可能會沿著鐘形曲線分佈。在鐘形曲線的兩側，更容易看到頻率是否發生微小變化，這是因為此類變化會產生更易檢測的效應，大幅增加或降低電子被激發的可能性（見插圖“尋找頻率”）。正因為如此，在原子鐘的日常工作期間，設定的時鐘輻射僅有50%的概率讓任何給定的原子進行時鐘躍遷。但即使將時鐘輻射頻率精確地設置在這一點，電子也會在測量後處於激發或未激發狀態。然後，伺服環路會錯誤地假定時鐘輻射頻率過高或過低，並會引入不適當的頻率校正值。
這些錯誤校正在時鐘內產生更多噪聲，我們稱之為量子投射噪聲（QPN），而它們正是最好的銫鐘內頻率不穩定性的主要來源。像許多隨機噪聲源一樣，QPN的平均水平隨時間而降低。觀察時鐘的時間越長，頻率中的隨機向上偏移就會更經常地抵消向下偏移，並且噪聲最終變得可忽略不計。
美中不足的是，這個過程在銫原子中需要很長時間來完成：最好的銫鐘的穩定性需要大約一天才能達到2×10-16——銫鐘的穩態精度水平。（計量人員通常以分數單位來測量精度和穩定性等參數。對於頻率為9.2千兆赫的銫鐘來說，頻率中2×10-16的精度轉化成1.8微赫的不確定性。）
我們可以進行一系列實驗，讓銫鐘變得更精確。但每個測量值都必須包含經過很長時間採集的大量數據，以便儘量減少測量值之間的隨機波動。在一系列旨在讓時鐘精度達到10-17（提高20倍）的實驗中，一個測量值可能就需要一整年時間才能得出。
幸運的是，還有其他方式可以儘量減少QPN。不管頻率高低，噪聲都是相同的，但其相對影響會隨著頻率升高而降低。而且正如平均QPN會隨著觀察時鐘的時間增加而減少，增加同一時間詢問的原子數量也會提升信噪比。一次採樣的數量越多，進行時鐘躍遷的原子數量的不確定性就越低。
移至更高的頻率是激勵光學原子鐘研發工作的推動力。第一臺光學原子鐘誕生於20世紀80年代初，現在採用的材料包括各類中性或離子化元素，例如汞、鍶、鈣、鐿和鋁。它們的共同點是共振頻率比較高，位於光譜內，大約幾十萬千兆赫，是銫頻率的1萬倍。使用較高頻率可減少QPN，並且還會降低幾個可以導致時鐘頻率偏移的因素的相對影響。其中包括與來自地球或附近金屬（例如巴黎的地鐵線路）的外部磁場之間的相互作用。另外一個好處是，如果使用離子製造的光學鍾，這些帶電原子會很容易地被束縛在一個振盪電場內，這將消除原子的大部分動作，從而有效地消除多普勒效應。
但是光學鍾也有自己的侷限性。如果時鐘的所有其他方面都一樣，那麼轉至光學頻率應該會將QPN降低到銫原子的0.01%。但是許多光學鍾都是使用離子而非中性原子製成的，例如銫鐘使用的離子。由於它們已充電，離子非常容易捕獲，但如果緊靠在一起，它們也會很容易互相推開，從而造成難以控制的動作，並導致產生多普勒頻率偏移。因此，這類時鐘傾向於每次僅使用一個離子，所以其穩定性僅為最好的銫鐘的約20倍，精確度僅為25倍，而銫鐘可輕鬆包含上百萬個原子。為了更接近光學鍾所承諾的將穩定性提升1萬倍的目標，我們必須找到一種方法來提高光學鍾內的原子數量，同時詢問更多原子，以便達到QPN的平均值。利用光晶格鍾，研究人員認識到他們可以做得更好，同時測量1萬個或者更多原子。
這當然並非易事。要使用1萬個原子製造一部時鐘，就必須找到一種方法，實現一個既具有緊湊結構（以儘量降低多普勒效應）又具有極低密度（以儘量減少原子間的電磁相互作用）的原子集合體。典型晶體內的原子移動速度太快，相互作用太強烈，不適合採用，因此最佳方法是製作一種獨創晶格的人工材料。
要製作一臺光晶格鍾，開始工作與許多冷原子實驗大致相同，使用一個由移動緩慢、激光冷卻的中性原子構成的集合體。把這些原子發送到一個真空容器內，其中包含一條已發射回自身的激光束。激光束與自身重疊的區域內產生一個干涉圖樣，創造出一個由數千個光“煎餅”構成的光晶格。由於一股力量將原子拖向光強度最大的點，因此原子像雞蛋落入蛋盒一樣落入晶格。一旦原子都落入各自位置，我們就使用一條單獨的“時鐘激光束”激發原子，從而測量時鐘躍遷的頻率。
難點在於，控制時鐘原子落入晶格並非易事。較為廉價的激光器的輸出功率單位為毫瓦。而要創建一個足以捕獲並困住中性原子的晶格，我們需要功率為幾瓦的光線。但是，如此強大的激光束會改變時鐘原子內的能級，使其躍遷頻率遠遠偏離自然狀態。偏移量將隨著捕捉光的強度而變化，並且該強度很難控制。即使非常小心地校準，這類較大的頻率偏移也會導致時鐘的精確度大幅降低，甚至遠低於首批銫鐘。
幸運的是，物理學家英敏香取（Hidetoshi Katori）在本世紀初提出了一個解決方案。當原子被捕捉光擊中時，與每個電子軌道相關聯的能量就會減少。當時在東京大學任職的英敏香取注意到，每個軌道的響應各不相同，能量偏移取決於捕捉光的波長。對於一個特定的“神奇”波長而言，兩條軌道的偏移將完全相同，因此這兩條軌道之間的能量差也將保持不變。如果無論原子是否被困住，時鐘頻率都保持不變，則會產生這種神奇波長，並且每種元素的波長各不相同。鍶的神奇波長為813納米，位於光譜的紅外部分；鐿的神奇波長位於光譜的紫外部分，為362納米。
當英敏香取提出他的構想時，我在巴黎天文臺時間-空間參照系統（LNE-SYRTE）部門的團隊負責維護法國的參照時間和頻率信號，並且已經開始研究將鍶用於光學鍾。我們幾乎立即開始工作，看看我們是否能夠用鍶製作光晶格鍾，率先與另外兩個在處理冷卻鍶方面擁有長期經驗的團隊展開競爭：英敏香取在東京的團隊和葉軍在科羅拉多博爾德JILA研究所的團隊。歷經10年並且在完成許多項目之後，其他團隊也使用鍶和鐿製作了晶格鍾。更多使用汞或鎂的實驗項目也在進行之中，這些項目需要更高的頻率，但對激光器的要求不高。
在過去幾年裡，讓光晶格鍾更加精確的一個關鍵因素是光譜範圍非常窄的時鐘激光，本質上只是一個特定頻率的小尖峰。我們需要這類激光來有效地探索時鐘躍遷頻率周圍的區域，以便細緻地觀察時鐘頻率的細微偏移如何影響躍遷概率。
製作窄激光的最佳方法是將其饋入一個鏡像腔，稱為“法布里-珀羅腔”。在這個共振腔內來回反射達到100萬次以後，任意波長的光線將對自身進行干擾並抵消。只有波長為空腔長度的單位分數的激光光線才會顯現。
儘管共振腔有助於濾除激光源頻率的自然波動，但該技術並不完美。從共振腔內顯現出來的時鐘激光頻率可能由於熱波動而不停搖晃，導致共振腔輕微膨脹或收縮。
但在過去幾年裡，研究人員已經找到方法來幫助減輕這種影響。增加共振腔的長度，從而減小長度細微變化造成的相對影響，振動因而得到抑制。共振腔也被冷卻至低溫溫度，以限制熱能量引起的微小膨脹和收縮。
最終結果是得到了一個更加穩定的時鐘激光器。如今，在準備和探測時鐘原子的幾秒鐘內，429太赫茲的時鐘激光可能在只有40毫赫茲左右的頻率內隨意移動。對於一個長度為幾十釐米的典型共振腔而言，這相當於在準備和探測光學鍾內原子的幾秒鐘內，其長度發生的變化（不超過一個質子大小的幾個百分點）。
主要由於這方面的努力，本來在銫鐘需要一天時間、在光離子鍾需要幾分鐘時間才可以達到的穩定性，現在光晶格鍾只需1秒鐘即可實現，接近於QPN限值。這種提高的穩定性使時鐘本身成為一個工具。精確測量原子鐘頻率時收集數據需要的時間越少，就可以越快地使用時鐘進行實驗，研究如何提高時鐘性能。事實上，就在美國國家標準與技術研究院展示光晶格鍾首次頻率穩定性改進成果的3年後，這類時鐘的精確性就達到領先水平。
時鐘無法計算自身的精度。評估一部時鐘時需要另一部可比較的時鐘作為參照物。當光晶格鍾於10年前首次研製成功時，最初的對比是在鍶光晶格鍾和銫鐘之間進行的。這些測量結果就足以確定光晶格鐘的早期承諾。但若要真正地弄清原子鐘的精確性，關鍵在於直接對比兩個同類型的時鐘。如果它們像宣傳的一樣精確，則頻率應該相同。
因此，在於2007年完成首臺鍶光晶格鍾之後，我們立即開始研製第二臺。我們在2011年完成第二臺鍶光晶格鍾，然後開始對兩臺光晶格鍾進行首次對比，以便在不依賴銫鐘的情況下，直接確定它們的精確性。
在完成第二臺光晶格鍾後，之前檢測不到的問題很快變得明顯起來。的確如此，我們很快就發現了之前忽視的一些缺陷。其中之一是已經困在真空腔窗口的靜電電荷的影響。我們必須讓紫外線照在窗口上，以便有效地移除電荷。
我們之前在《自然•通訊》發表的一篇文章，展示了我們的兩臺鍶光晶格鍾都可達到10-16的水平，有力地證實了這些時鐘比最好的銫鐘更加精確。之後英敏香取在日本和光理化學研究所的團隊報告稱，在類似的時鐘上達到1018分之幾，但這次是在低溫環境中測量的。
順便說一下，光學鐘的頻率如此之快，沒有哪種電子設備能夠計算它的擺動。這類時鐘對比依賴於一種仍在發展中的新技術：頻率梳。這種技術採用長度為飛秒的激光波束，創建一個由連貫、等間距的齒構成的光譜，跨越可見光和紅外光譜。實際上，它的功能類似於光學頻率的“尺子”。
對光晶格鍾進行對比的能力推動我們繼續開展重新定義“秒”的工作。在國際單位制可以重新定義之前，大量實驗室必須證明它們可以實施新標準，並且比較其測量結果。需要確立共識，保證所有實驗室意見一致。另外還必須確保全世界的計時一致，即通過對位於世界各地的大量微波時鐘進行加權平均計算而創建的全世界時鐘設定的時間——“協調世界時”以及其衍生的“國際原子時”都是一致的。
銫鐘利用衛星發出的信號實現“聯網”，並通過微波傳輸進行對比。這對於微波時鐘而言已經足夠，但對於散發更加精確的光晶格鍾信號來說太不穩定。但是不久以後，光學鐘的國際對比將達到一個新的里程碑。專用相位補償系統可消除線路引入的微小計時偏移，以此為基礎的新光纖連接目前正在構建中。
得益於一些國家和國際項目，我們能夠使用此類“網絡”，在巴黎的LEN-SYRTE和德國不倫瑞克聯邦物理技術研究院（國家計量中心）首次對光晶格鍾進行對比。進而完成與倫敦國家物理實驗室之間的連接，該實驗室擁有鍶和鐿離子時鐘。這些努力為建立一個國際計量網絡鋪平了道路，該網絡可能會促使為“秒”制定新的標準。
與此同時，科學家們已經將光晶格鍾用作探索自然的工具了。其中一個重點是測量兩個使用不同類型原子製造的時鐘之間的頻率比。該比值取決於基本物理常數，如精細結構常數，如果其結果是隨著時間或地點發生變化，就可能揭示新的物理學現象。
光學鍾也可能為天文學家帶來益處。原子鐘用作射電天文學的時間基準，讓天文學家可以將使用分隔數百或數千公里的望遠鏡所收集的光線結合在一起，產生一個虛擬望遠鏡，其角度分辨率相當於橫跨整個距離的單個望遠鏡所具有的角度分辨率。隨著光學原子鐘日益成熟，它們可以促使光學望遠鏡具備類似的功能。
不難想象，光晶格鍾可能會讓我們更深入地瞭解腳下的世界。根據愛因斯坦的廣義相對論，位於地球密度較大部分的時鐘走動比位於密度較小部分的時鐘慢。儘管可以使用重力儀測量任一點的重力，但測量重力勢——可能會揭示地球內部不同的深層結構——則必須通過整合地球表面不同點上的重力儀測量結果或者測量衛星軌道來完成。計量學家和大地測量工作者現已聯手研究光晶格鍾能夠發揮的作用。有可能會將它們散佈在全球的不同點上，為石油探測、地震監測和火山預測等工作提供幫助。
與此同時，在不斷提高光晶格鐘的穩定性和精確性方面還有許多工作要做。我們已經開展大量研究來減輕黑體輻射的影響。非零溫度下，任何物體都會不可避免地發出這類輻射，包括容納時鐘原子的真空腔。當真空腔與原子相互作用時，會改變時鐘躍遷的能量水平。這種偏移可以在事後進行校正，但必須獲得真空腔的精確溫度和輻射率。另外，還可以將原子封閉在一個低溫環境中，或者使用本身對黑體輻射敏感度較低的原子種類（例如汞），我們的團隊正在研究這一途徑。
在2020年之前，新一代的超窄激光器也有可能幫助將1秒數據採集後的穩定性提升至10-17。這將讓我們可以實現高於10-18的精度——比銫鐘精度高100倍。隨著光晶格鍾變得越來越精確，其應用範圍也將不斷擴大。
但即使光晶格鍾大獲成功，我們也不會放棄銫鐘，後者的結構更加緊湊，且造價較低。在未來，光晶格鍾可能會被頻率更高的時鐘取代，這種時鐘依賴原子核內的能量躍遷，而非圍繞其周圍的軌道上電子之間的能量躍遷進行工作。儘管研究人員已經開始相關探索，但這類核躍遷大多超出當前激光技術的能力範圍。
但不久以後，另一個時間標準將會誕生，可能會對我們與宇宙之間的關係產生巨大影響。正如時間永不止步一樣，我們測量時間的能力也將不斷提升。
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