在人类历史的大部分时间里，时间都是通过天体的运动来测量的--太阳划过天空，月亮经历月相循环，星星在头顶旋转。后来出现了机械钟、石英振荡器和原子钟。计时技术的每一次飞跃都不仅仅是为我们提供了更好的时钟，它还开启了科学、导航、通信和商业领域的全新能力。今天，我们即将迎来又一次飞跃，它将重新定义时间测量的含义。
下一代计时技术--光学晶格钟、核钟和基于量子纠缠的同步技术--有望达到极高的精确度，以至于时间和重力的概念本身都会交织在一起。与此同时，人类成为多行星物种的雄心正迫使我们面对一个历史上从未有人回答过的问题：如何在另一个星球上计时？本文探讨了计时的前沿问题，从挑战精度极限的实验室到需要全新时间系统的火星殖民地。
现行标准铯原子钟
自 1967 年以来，一秒的国际定义一直以铯-133 原子为基础。具体来说，一秒是指铯-133 原子在特定转变过程中发出的辐射的 9 192 631 770 次振荡。铯喷泉钟是目前的黄金标准，其精确度约为 3 亿年一秒。这听起来可能精确得令人难以置信，但对于许多尖端应用来说，这实际上还不够精确。
例如，GPS 卫星依靠原子钟来计算你的位置。仅一纳秒（十亿分之一秒）的误差就相当于约 30 厘米的位置误差。金融市场以微秒为单位执行交易，即使交易所之间存在微小的时钟差异，也会造成套利机会或监管问题。协调世界时（UTC）这一国际时间标准由全球约 450 个原子钟组成的网络维持，并由位于巴黎的国际计量局（BIPM）进行加权和平均。
光栅时钟：下一次飞跃
光学晶格钟是计时领域最令人兴奋的发展，它利用锶或镱等原子被困在由相交激光束组成的晶格中。光学时钟不像铯钟那样测量微波瞬变，而是测量可见光频率下的瞬变--可见光的振荡速度大约是微波的 10 万倍。每秒更多的振荡意味着更精细的时间划分，也就意味着更高的精度。
数字惊人。科罗拉多大学 JILA、美国国家标准与技术研究院（NIST）、东京大学和德国联邦物理技术局（PTB）的实验室展示的最好的光学晶格时钟，其精确度大约达到 150 亿年一秒，比目前的宇宙年龄还要长。在这种精度下，宇宙大爆炸时启动的时钟如今仍能精确到一秒之内。
这种超乎寻常的精确度带来了一个令人惊讶的实际后果：光学时钟如此精确，以至于它们可以检测到爱因斯坦广义相对论所预测的引力时间膨胀，而高度差异仅为几厘米。桌子上的时钟比地板上的时钟滴答声快得多，因为它距离地球引力中心稍远。NIST 和 PTB 的实验证实了这种效应，它为大地测量学--测量地球形状和引力场的科学--带来了革命性的应用。
重新定义 "第二
光学时钟的非凡性能为计量学的历史性事件--秒的重新定义--奠定了基础。目前以铯为基础的定义于 1967 年通过，现已成为国际单位制（SI）中最薄弱的环节。度量衡大会（CGPM）已发出信号，最早可能在 2030 年采用基于光学转变的新定义--很可能是锶或镱。这将是 60 多年来对 "秒 "的定义所做的首次修改，它将使其他所有依赖于时间的测量--包括根据光速定义的 "米"--变得更加精确。
核钟超越原子
比光学原子钟更精确的是核钟--一种仍处于早期开发阶段的技术，它测量的是原子核内的跃迁，而不是其电子外壳内的跃迁。最有希望的候选者是钍-229，它具有异常低能的核转变，有可能被紫外激光激发。以钍-229 为基础的核钟可以达到比最好的光学钟高出 10 到 100 倍的精度，有可能在数千亿年中达到一秒的精度。
2024 年，JILA 的一个团队首次成功演示了激光激发钍-229 核转变，这是 20 多年来一直在追求的突破。虽然距离实用核钟的问世还有数年之遥，但这一里程碑式的突破为计时新时代的到来打开了大门。核钟具有独特的价值，因为核跃迁对电场和磁场等外部扰动的敏感度要低得多，使其比光学钟更加稳定和便携。
太空计时火星时间的挑战
随着人类为最终载人火星任务和永久定居点的可能性做准备，如何在另一个星球上保持时间的问题变得越来越紧迫。火星上有几个独特的挑战，使得地球上的时间系统无法满足需要。
火星太阳
火星上的一天被称为 "sol"，长约 24 小时 39 分钟 35 秒，比地球上的一天长约 2.7%。这种差异看似微不足道，但经过数周和数月的累积，就会变得非常明显。仅仅 37 个至日之后，火星时钟和地球时钟就会相差一整天。美国国家航空航天局（NASA）的火星探测器团队曾亲身经历过这种情况：在早期的 "精神号 "和 "机遇号 "任务中，飞行控制人员过着 "火星时间 "的生活，他们的日程表每天都要推迟 39 分钟。许多人报告说，他们的清醒时间与地球的昼夜周期完全不同步，因此出现了严重的疲劳、迷失方向和社交孤立。
拟议的火星时间系统
关于火星时间系统有几种建议。最简单的方法是使用 "拉伸秒"--将每个太阳时分为 24 个火星小时，每个火星小时分为 60 个火星分钟，每个火星分钟分为 60 个火星秒。火星秒约为 1.027 地球秒。这保留了人们熟悉的 24 小时时钟格式，但意味着火星上的 "秒 "与地球上的秒在物理上是不同的--这在概念上让需要在两个星球之间精确同步的科学家和工程师感到头疼。
另一项建议是在火星时钟上增加第 25 个小时--在午夜插入一个约 39 分钟的短暂 "额外小时"，在此期间时钟实际上会暂停。这虽然保留了标准秒，但却造成了不寻常的日差距。第三种方法则完全放弃了小时和分钟，将溶胶分为公制单位--也许是 1000 个 "毫索尔"，每个单位持续约 88 个地球秒。这些方案都没有达成共识，最终的选择很可能取决于第一批火星永久居民的实际需求。
光速延迟问题
除了太阳日不匹配之外，火星时间还面临着一个更深层次的挑战：光速。地球和火星之间的无线电信号单程需要 4 到 24 分钟，这取决于两颗行星的相对位置。这意味着两颗行星之间的实时时钟同步在物理上是不可能的--总会存在通信延迟。火星将需要自己的自主时间标准，由行星表面的原子钟维持，并在信号条件允许的情况下定期从地球同步修正。通用 "时间标准的概念需要变成 "星际 "时间标准。
量子纠缠与时钟同步的未来
计时研究中最引人入胜的前沿领域之一是利用量子纠缠使遥远的时钟同步，其精确度是经典方法无法实现的。在量子时钟同步中，两个地点之间共享纠缠光子对。理论上，这些光子之间的量子相关性可用于时钟同步，其精度仅受量子力学的限制，超越了光速对经典同步方法的限制。
麻省理工学院、马克斯-普朗克研究所（Max Planck Institute）和中国科学院的研究小组已经展示了通过光纤网络实现量子时钟同步的概念验证。虽然量子同步全球时间网络的实用化可能还需要几十年的时间，但其潜力却是革命性的：想象一下，在这个世界上，地球上的每一个时钟--最终还有火星、月球和空间站上的时钟--都能以量子精度同步，从而实现导航、通信、科学实验和金融系统的新功能。
实际意义：超精确时间为何重要
新一代 GPS 和导航
目前的全球定位系统为消费设备提供的定位精度约为一到两米。通过在卫星中部署光学时钟技术，定位精度可以提高到毫米级。这将改变自动驾驶汽车、精准农业、建筑、测量和灾难响应。室内导航目前是一项重大挑战，但它的可靠性足以引导机器人穿过仓库或引导人穿过医院。
引力波探测
超精密时钟可以补充像 LIGO 这样的引力波观测站和未来的 LISA 太空任务。通过比较不同位置光学时钟的滴答声速率，科学家们可以探测到引力波经过时对时空造成的微小扭曲。这种方法可以为引力波天文学打开新的频率窗口，有可能探测到目前的探测器无法观测到的引力波源。
基础物理学
精确到足以探测到厘米级引力时间膨胀的时钟成为了检验基本物理定律的工具。自然界的常数是真的不变，还是会随时间而变化？爱因斯坦的广义相对论在每个尺度上都是完全准确的吗？暗物质与正常物质的相互作用是否会影响原子跃迁？超精密时钟能以前所未有的灵敏度测试这些问题，有可能揭示标准模型之外的新物理学。
哲学维度：时间是什么？
随着我们测量时间能力的提高，"时间究竟是什么 "这一哲学问题也变得难以回避。时间是宇宙的基本特征，还是从更基本的过程中产生的？物理学家卡洛-罗韦利（Carlo Rovelli）认为，在量子层面上，时间可能根本不存在--我们所体验到的时间流逝是热力学和熵的新兴属性。如果罗韦利的观点是正确的，那么我们越来越精确的时钟所测量的东西，从某种深层意义上来说，并不完全真实。
不管这些哲学争论如何，改进计时的实际影响是不可否认的。从古埃及的日晷到今天的光栅时钟，时间测量的每一次进步都拓展了人类的能力。未来的计时技术不仅会带来更好的时钟，而且会让我们更深入地了解我们所居住的宇宙--以及我们向往的新世界。
常见问题
世界上最精确的钟表有多精确？
目前最精确的时钟是光学晶格时钟，其精确度约为 150 亿年一秒。这意味着，如果这样的时钟是在宇宙大爆炸时启动的，那么它今天的精确度仍然在一秒之内。这些时钟如此精确，以至于它们可以探测到仅仅几厘米的高度差所造成的引力时间膨胀。
火星上的一天有多长？
火星上的一天被称为一个太阳日，长约 24 小时 39 分钟 35 秒，比地球上的一天长约 2.7%。这种看似微小的差异会迅速累积：大约 37 个至日之后，火星时钟和地球时钟就会相差一整天。
一秒钟的定义会改变吗？
是的，预计会有变化。目前的定义以铯-133 为基础，自 1967 年以来一直沿用至今。度量衡大会正计划采用基于光学跃迁的新定义，可能最早于 2030 年在锶或镱原子中采用。这将是 60 多年来首次重新定义 "秒"。
什么是核钟？
核钟测量的是原子核内的跃迁，而不是其电子壳内的跃迁。最有希望的候选方案是使用钍-229。核钟比光学钟精确 10 到 100 倍，对外界干扰的敏感度也更低，但实用核钟仍处于早期开发阶段。
全球定位系统如何依赖原子钟？
GPS 卫星携带原子钟，可播发精确的时间信号。GPS 接收器会比较多颗卫星发出的信号的到达时间，从而计算出您的位置。仅一纳秒的时间误差就会造成约 30 厘米的位置误差。如果没有原子钟，GPS 的精确度只能达到几公里以内。