一项日本发明推动世界时间标准变革
一种每秒测量约429万亿次光振动的时钟，正助力推动一项国际行动，旨在取代现行的世界时间标准。这项技术由东京大学物理学家香取秀俊于2001年提出，如今已成为商业产品，并与负责协调国际计量标准的组织展开合作。
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2026年5月12日，理化学研究所（RIKEN）、岛津制作所和国际计量局（BIPM）在日本川崎签署谅解备忘录，致力于推动光晶格钟的实际应用。东京大学的合作公告列出了出席者，包括理化学研究所所长五神真、先进光子学总监田中耕一郎以及香取秀俊。
此次协议签署前，岛津制作所已于2025年4月发布Aetherclock OC020。该公司称，这是全球首款商用光晶格钟。这项技术的精度已达到通常所说的水平：误差相当于100亿年约1秒。
国际方面的目标是在2030年可能就秒的新定义作出决定，随后实施。科学家仍需就定义达成一致，并证明各实验室能够可靠地复现和传递这一标准。
对普通用户而言，1秒的长度仍将与以往相同。拟议中的变更涉及用于测量秒的物理基准。对于实验室、国家授时机构以及依赖精确同步的系统，新定义将使它们能够更精细地测量同一时间间隔。
为何现行秒定义开始成为限制
目前，秒的定义是将铯-133原子的特定微波频率固定为每秒恰好9,192,631,770次振动。对这么多周期进行计数，得到的时间间隔就是1秒。
原子钟通过将电磁辐射调谐至原子吸收的频率来工作。原子可以在特定能级之间跃迁，这一过程称为跃迁。与该跃迁对应的辐射频率提供了可重复的基准，使不同地点的时钟能够测量同一个单位。
光学钟使用光而非微波。在锶光晶格钟中，相关光波每秒振动约429万亿次，约为铯基准频率的47,000倍。这能对时间进行更精细的划分，但要确保时钟准确，控制各种干扰仍至关重要。
BIPM的重新定义指南指出，一些光学标准的系统不确定度已经比最好的铯喷泉钟低约100倍。系统不确定度描述测量值可能受到时钟环境或运行缺陷等因素影响而发生偏移的程度。
实际问题在于，科学家现在已经能够制造出性能超过其所定义单位基准的时钟。新定义旨在立即将准确度提高10至100倍，同时保持与现行秒定义的连续性。
光晶格如何让原子保持静止
香取秀俊提出的方法解决了一个基本难题：运动中的原子更难以精确测量。原子的运动会改变其与光波波峰和波谷相遇的方式，从而使测得的频率发生偏移。
研究人员首先将原子冷却至接近绝对零度，即零下273.15摄氏度，以减少其运动。随后，他们用与测量时钟跃迁的激光分开的另一束激光将原子囚禁起来。
两束反向传播的激光交叠后会形成驻波，产生光强交替变化的区域。在适当条件下，原子会被囚禁在由此形成的一系列微小空间中。这一排列就是光晶格。
研究人员可以同时测量许多被囚禁的原子。对它们的信号取平均，比反复测量单个原子更快地降低随机波动。另一种主要的光学钟设计则利用电场囚禁一个带电原子，也就是离子。这两种方法都是关于未来秒定义讨论的一部分。
日本信息通信研究机构（NICT）表示，各国计量标准实验室正在研发使用锶和镱的光晶格钟。它们的作用已不再局限于实验：这些时钟有助于校准国际原子时标。
采用单一原子基准，还是多种基准组合？
核心决策在于，新秒定义应采用一种光学跃迁，还是多种跃迁的组合。锶的优异性能使其成为候选方案之一，其他原子和离子的跃迁也在考虑之列。
方案一沿用现行模式：选定一种跃迁，并为其频率赋予一个精确数值。其主要优势是简单。各实验室将使用同一个基准，而采用其他跃迁的时钟则可作为次级标准。
选定这种跃迁需要开发不同类型时钟的机构达成国际共识。如果今后出现显著更好的基准，也可能带来再次重新定义的压力。
方案二则用多种光学频率的加权几何平均值来定义秒。简单来说，多种原子基准共同构成一个定义值，其中一些基准的权重高于其他基准。这种数学平均是通过相乘和乘方来组合频率，而非普通的加法。
BIPM介绍了权重固定的方案，也介绍了权重和参与的跃迁可随技术进步而变化的方案。这种灵活性或许能纳入更好的时钟，而不必重新启动整个定义过程。但它也会使规则更复杂，并让孤立的实验室更难独立复现这一标准。
日本与法国研究人员提出比较方案
NICT和巴黎天文台开发了一套通用的数学与图形框架，用于分析这两种方案。双方在2025年12月的公告中表示，这项研究还提出了一种客观计算权重的方法，所依据的是全球收集的测量数据。
这项由热罗姆·洛德维克和井户哲也开展的研究于2025年11月14日发表在《计量学》（Metrologia）期刊上，题为《基于多个光学跃迁的国际单位制秒定义的性质》。
他们的解释从一个重要区别入手：两个原子频率之间的比值由自然决定，而人们选择用什么单位来表示它们。图表可以分别用一条线表示测得的频率比，另一条线表示选定的定义。两条线的交点决定频率的数值。
在这一框架下，基于单一跃迁的定义是组合方案的一种特例：一种跃迁获得全部权重，其他跃迁的权重为零。因此，研究人员可以在同一套图示中比较这些方案。
拟议的加权方法利用收集到的频率比较数据及其不确定度，而不是只选取部分结果。NICT表示，这可以减少主观选择，避免人为决定哪些测量结果应影响各跃迁的权重。
负责国际时间标准技术讨论的时间与频率咨询委员会（CCTF）在2025年9月18日和19日的会议上没有选择任何一种方案。NICT表示，与会者认为，对组合方案的认识已充分深入，可以继续讨论如何选定方法。
日本光学钟已助力计时
NICT的光学时钟项目展示了这项技术如何进入实际计时领域。波长为698纳米的锶-87跃迁于2006年10月成为秒的次级表示。NICT的测量结果自2012年9月起开始为国际采用的锶频率值作出贡献。
2016年，NICT利用光学钟生成了连续时间信号。氢脉泽提供可靠的持续信号，光学钟测量则用于调整其频率。在一项为期五个月的测试中，由此得到的秒间隔比协调世界时（UTC）的秒间隔更接近国际单位制定义。
NICT于2021年重启这一光学时标，目前它已为日本标准时间的稳定性作出贡献。将可靠的连续信号与精确的光学测量结合，有助于保持时间准确，而无需依赖与其他授时服务的持续连接。
该机构的NICT-Sr1时钟于2018年11月获认定为次级频率标准。次月，它开始提供数据，用于校准构成UTC和各国时标基础的国际原子时（TAI）。
国际比对也不断扩大。2020年，NICT利用甚长基线干涉测量技术，将其锶钟与意大利国家计量研究院（INRIM）的镱光晶格钟进行比对。这种技术通常用于射电天文学。实验确认了不同大陆上的光学钟之间具有一致性。
从实验室房间到商用时钟
岛津制作所的商业化开发介绍讲述了如何通过工程研发，让光晶格钟走出专业实验室。2015年，香取秀俊联系该公司时，相关设备占据了一个大型实验室房间。
早期目标之一，是比较地面与东京晴空塔450米高的展望台上的时钟。工程师将时钟体积缩小至920升，约为原先的二十分之一，以便开展2018年启动的实验。
时钟测得，展望台上的时间每天比地面快4.26纳秒。1纳秒是十亿分之一秒。这一差异体现了广义相对论：处于不同引力势的时钟，运行速率会略有不同。
商业化研发带来了更多要求。系统使用六种激光，每种都需要精确控制。岛津制作所于2020年将体积目标从400升调整至250升，并开发了自动恢复功能，以应对运行中断。
岛津制作所激光应用组副经理、参与软件开发的酒井雄也解释了自动调节为何必不可少：
六台激光器中，只要有一台的波长偏离设定，系统就可能无法正常作为时钟运行。
岛津制作所表示，其软件可以重新设定激光器状态，并在受到环境干扰后恢复运行。该公司称，全球多家研究机构已前来询问，同时指出，延长激光器寿命、提高抗振能力仍有待进一步改进。
更好的时钟也需要更好的连接
各国授时实验室必须对时钟进行比对，才能建立共享的国际时标。只有连接能够在机构之间传递相应精度，时钟的精度才能真正惠及整个网络。
BIPM表示，目前通过包括GPS在内的全球导航卫星系统进行的时间传递，足以在约一天的实际平均周期内发挥最佳微波标准的作用。光学钟的准确度高出10至100倍，因此需要更好的连接。
光纤连接已在约1,000公里的距离上展示出所需性能。连接不同大洲则仍然更加困难。研究人员正在研究双向信号高级传递、通过太空进行光学连接，以及可移动光学钟。
重新定义之后，现有铯设备仍将发挥作用。铯喷泉钟将成为次级标准，其测量结果仍可通过BIPM发布的《T圆报》追溯，并可继续为UTC作出贡献。
现有国际时钟群已汇集约450台时钟，包括商用铯钟和氢脉泽。光学标准将改进用于校准这一网络的基准，同时现有设备也会继续运行。
2030年可能作出决定前的关键节点
更新后的国际路线图表明，决定是否准备就绪的因素是技术成熟度，而非单纯看日历。八项强制性标准和六项辅助条件涵盖可靠的光学标准、国际比对、对原子时的贡献，以及向用户传递新单位等事项。
主要阶段如下：
- 2022年：国际计量大会通过政策，推动在2030年重新定义秒。
- 2026年：大会计划审议进展情况，以及是否继续为提出方案开展工作。
- 2028年和2029年：CCTF将评估准备情况、缩小方案范围并敲定提案。
- 2030年：如果满足强制性标准并达成共识，大会可能就定义及其实施日期作出决定。
最终定义和实施日期尚未确定。若法律规定的时间与现行定义挂钩，各国主管部门也可能需要修订相关法律。
如今，日本的贡献涵盖光晶格技术的发明、对国际时间的实际贡献、商业设备，以及关于如何选择定义本身的研究。下一步是将这些进展转化为全球各地实验室都能复现和共享的标准。
要点
- 理化学研究所、岛津制作所和BIPM于2026年5月12日签署合作协议，以推动光晶格钟的实际应用。
- 岛津制作所于2025年4月发布Aetherclock OC020，并称其为全球首款商用光晶格钟。
- 拟议中的新秒定义将采用光学频率，目标是将准确度立即提高10至100倍。
- 科学家正在考虑采用一种定义用光学跃迁，或采用多种跃迁的加权组合。
- 日本的光学钟已为国际原子时和日本标准时间的稳定性作出贡献。
- 在达成共识且技术准备就绪的前提下，可能于2030年作出决定，随后实施。
- 现有铯钟仍可继续使用，并继续为国际计时作出贡献。
