摘要：4月15日，位于科罗拉多州博尔德（Boulder， Colorado）的美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的科学家们在《计量学》（Metrologia）杂志上公布了

美国国家标准与技术研究院 （National Institute of Standards and Technology） 的新型铯喷泉钟是有史以来最精确的原子钟之一。

科学家们制造了有史以来最精确的原子喷泉钟之一。 （图片来源：agsandrew via Getty Images）

科学家们开发了有史以来最精确的原子钟之一，他们计划将其用作定义时间本身的参考时钟。

根据其创造者的说法，NIST-F4 原子钟基于铯原子在微波束下的上升和下降，非常可靠，如果它在 1 亿年前恐龙存在时就开始运行，那么今天它的偏差将不到一秒。

4月15日，位于科罗拉多州博尔德（Boulder， Colorado）的美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的科学家们在《计量学》（Metrologia）杂志上公布了NIST-F4的工作原理细节。新时钟将于 2025 年 4 月运行，正在等待批准，然后它与全球大约 450 个其他时钟一起定义协调世界时 （UTC），这是测量超精确秒拍的全球系统。

NIST 时间和频率部门负责人 Liz Donley在一份声明中表示，时间信号“每天被用于数十亿次，从设置时钟和手表到确保数千亿美元的电子金融交易的准确时间戳”。（Donley 没有被列为新论文的作者之一）。

对更精确计时的需求不断增长，这意味着科学家们一直在努力开发更好的参考时钟，即定义他人设置时间的时钟。与日常设备不同，这些参考设备是原子钟，从原子的振动中获得滴答声。

NIST-F4 是一种被称为喷泉钟的原子钟，包含一团由数千个铯原子组成的云，这些原子使用激光冷却到接近绝对零度。然后，原子在一对激光束提供的冲力下向上抛出，然后在通过调整使原子振荡的微波束时在自身重量的作用下落下。

计算这个频率（每秒发生 9,192,631,770 次）使科学家能够精确定义国际秒。

NIST 科学家 Greg Hoth（左）和 Vladislav Gerginov 正在研究 NIST 的新型铯喷泉钟 NIST-F4，这是有史以来最精确的原子钟之一。（图片来源：R. Eskalis/NIST）

但这是相对简单的部分。为了确保 NIST-F4 的可靠性，科学家们必须考虑可能影响铯原子振动的每一个微小噪声源。这些包括与其他原子的量子串扰;微波泄漏和透镜效应;以及激光产生的电磁场的细微扭曲。

该团队于 2020 年开始进行这些调整，即该机构的第一个喷泉时钟 NIST-F1 退役进行修复四年后。这项工作包括从头开始重建时钟核心的微波腔。

“评估像 NIST-F4 这样的喷泉时钟是一个缓慢的过程，”研究的第一作者、参与新设计工作的 NIST 物理学家弗拉迪斯拉夫·格尔吉诺夫 （Vladislav Gerginov） 在声明中说。“我们必须非常保守。我们应该了解它的一切。

结果是一个时钟的总系统不确定性为 2.2×10⁻¹⁶——这个精度意味着它每 1.4 亿年损失不到一秒。这种极其微妙的滞后是量子测量中固有的随机性噪声的产物，科学家们表示，这一因素可以通过更好的振荡器和精细的激光冷却来减少。

NIST-F4 将与其前身时钟 NIST-F3 一起滴答作响。较新的 clock 将在大约 90% 的时间内运行，并且至少有一个 clocks 将在任何给定时间运行。来自两者的数据将定期发送到 BIPM 以校准 UTC，并保持世界正常运转。

来源：老何的科学课堂