如果有一只钟从宇宙大爆炸那一刻开始走，一直走到今天，它的误差会有多大？

对于新加坡科学家刚刚打造的这台时钟来说，答案是：远远不到1秒。

新加坡国立大学量子技术中心的研究团队研制出一台基于镥-176离子的光学原子钟，其系统不确定度达到1乘以10的负19次方，也就是能把跃迁频率测定到小数点后第19位。

团队负责人、新加坡国立大学物理系副教授默里·巴雷特表示，他有信心说，这是目前世界上最精确的时钟。相关成果于2026年9月发表在《自然》杂志上。

论文的联合第一作者是量子技术中心高级研究科学家凯尔·阿诺德和博士生迈克尔·李，这也让新加坡在全球精密计时的版图上占据了一个醒目位置。

从铯原子钟到光钟

人类对时间的丈量，经历了从日晷、摆钟到石英钟的漫长演进。

1967年起，国际上以铯原子的特定振动频率来定义"秒"。铯原子钟每秒"滴答"约92亿次，精度远超任何机械钟表，支撑起今天的卫星导航、通信网络和金融交易系统。

我们手机里的定位功能，正是依赖导航卫星上原子钟的精确计时。卫星时钟只要偏差百万分之一秒，地面定位就可能出现数百米的误差。

但科学家并不满足。光学原子钟利用的是光波频率，比铯原子钟使用的微波频率高出数万倍。

频率越高，就像尺子上的刻度越密，能够分辨的时间间隔也就越细。

可以把铯原子钟想象成一把以毫米为刻度的尺子，而光钟则是一把刻度细到纳米的尺子，量同样的长度，后者能看清的细节要多得多。过去二十年间，基于锶、镱、铝等元素的光钟不断刷新精度纪录。

国际计量界已经在讨论，计划在2030年前后用光钟重新定义"秒"。谁能造出更准、更稳、更可靠的光钟，谁就可能在这场"重新定义时间"的竞赛中占据先机。

一颗"淡定"的镥离子

新加坡团队选择了一个相对冷门的元素：镥。

他们用电磁场囚禁单个带电的镥-176离子，并把激光锁定在848纳米的波长上，让离子在两个能级之间反复跃迁，这种跃迁频率就是时钟的"节拍"。

镥的独特优势在于它异常"淡定"。它的跃迁频率几乎不受温度和磁场波动的影响。

研究人员形容，即便把这台钟从地球上有记录以来最热的地方美国死亡谷，搬到最冷的南极高原，它的频率也几乎不会改变。

对精密计时来说，环境干扰是最大的敌人之一。黑体辐射、磁场起伏都会让原子的"节拍"产生微小偏移，而镥天生对这些干扰不敏感，大大降低了修正误差的难度。

团队还提出了一种被称为"超精细平均"的新技术，用来更精确地定义时钟跃迁，进一步压低了系统误差。

精密计时领域的每一次进步，往往都来自对误差来源的逐一排查和压缩。从10的负18次方到10的负19次方，看似只多了一位小数，背后却是对无数细微干扰的艰苦较量。

两台钟"对表"验证实力

一台钟声称自己很准，如何证明？

图为量子技术中心镥原子钟实验室内（从左至右）的三人：副教授默里·巴雷特、博士生迈克尔·李和高级研究科学家凯尔·阿诺德。图片来源：量子技术中心

研究团队的联合第一作者、高级研究科学家凯尔·阿诺德说，检验一个标准是否准确的唯一方法，就是比较多台时钟，证明结果可以复现。

为此，团队制造了两台镥离子钟，并借助关联光谱技术，让它们连续比对了200小时。两者之间的一致性达到5.7乘以10的负19次方。

这一结果超越了此前由镱、锶和铝光钟创下的精度纪录。

换算成更直观的说法，精度达到10的负19次方量级的时钟，即使连续运行3000多亿年，误差也不会超过1秒，这比宇宙的年龄还要长20多倍。

能"称出"5毫米高度差的钟

如此精确的时钟，还有一项神奇的本领：它能感知引力。

根据爱因斯坦的广义相对论，引力越强的地方，时间流逝得越慢。把一台钟放在桌面上，另一台放在地板上，两者走时就会有极其细微的差别。

这种效应在日常生活中微乎其微，却已被精密实验反复证实。导航卫星的时钟系统，就必须考虑相对论效应带来的时间偏差，否则定位误差会迅速累积。

这台镥离子钟灵敏到可以分辨仅5毫米高度差带来的时间差异。

这意味着，它未来或许能成为一种"引力传感器"，用来监测地下岩浆运动、地下水变化、海平面起伏，甚至辅助勘探矿产资源。

在大地测量领域，科学家还设想用一张由光钟组成的网络，直接"测量"不同地点的海拔高度，这一新兴方向被称为相对论大地测量学。

团队下一步计划把这套系统小型化，做成可运输的设备，在不牺牲精度的前提下走出实验室，投入野外应用。

超高精度时钟还可能帮助科学家探索物理学中的未解之谜，比如检验基本物理常数是否随时间变化，或者寻找暗物质留下的蛛丝马迹。

从日晷的影子到一颗被激光照亮的离子，人类对时间的追问从未停止。新加坡这颗"淡定"的镥离子，也许正在为下一次"秒"的重新定义，写下重要的一笔。