科学家正尝试更精确地重新定义“秒”。
更精确的时钟有助于感知地壳应力，以及遥远黑洞产生的引力波。
光子学与量子科学教授本·默丁解释了这一切如何可能实现。
每个人都需要知道时间。自17世纪荷兰发明家克里斯蒂安·惠更斯制造出第一座摆钟以来，人们一直在设法寻找更精确测量时间的理由。
准确的时间在许多方面都很重要，从运营铁路到进行毫秒级的股票交易。如今，对大多数人而言，他们的时钟都会以原子钟发出的信号进行自我校准，这些原子钟也装在全球定位系统（GPS）卫星上。
但一项最新研究由科罗拉多州博尔德的两个科学家团队开展，这或许意味着这些信号将变得更加精确，从而为有效地更精确重新定义“秒”铺平道路。事实上，原子钟可能会变得如此精确，以至于我们可以开始测量此前无法察觉的引力波。
时间简史
现代时钟仍然沿用惠更斯的基本理念：利用共振的振荡器——例如长度固定、总会以相同频率来回摆动的摆，或发出特定音调的钟。这一理念在18世纪经约翰·哈里森大幅改进，他认识到，频率更高、体积更小的振荡器具有更稳定、更纯净的共振，从而使时钟更加可靠。
如今，大多数日常时钟使用一小片石英晶体，其形状类似微型音叉，具有极高的频率和稳定性。过去一百年间，这种时钟设计并无太大变化，不过我们在使其更便宜、更易于大规模复制方面已经有所进步。
如今最大的区别在于我们校准——或称“驯化”——石英钟的方式。直到1955年，人们都需要通过对照一种非常规律的天文现象（例如太阳或木星的卫星）来不断校正时钟。如今，我们则依据原子内部的自然振荡来校准时钟。
原子钟最早由路易斯·埃森制造。1967年，它被用于重新定义“秒”，这一定义此后一直保持不变。
其工作原理是计数铯原子中电子的一种量子特性——自旋——的翻转频率。这种自然原子共振非常尖锐，以至于能够察觉石英晶体时钟信号的频率偏移，偏移幅度小于十的十五次方分之一，即十亿分之一的百万分之一。根据官方定义，一秒等于9,192,631,770次铯电子自旋翻转。
我们能够制造出如此精确校准的振荡器，这使得频率和时间成为所有物理量中测量最为精确的两个量。我们通过GPS向世界各地乃至太空发送原子钟信号。任何拥有手机GPS接收器的人，都能获取一台精度惊人的时间测量设备。
如果能够精确测量时间和频率，那么还可以精确测量各种其他事物。例如，测量某些原子和分子的自旋翻转频率，就能得知它们所处磁场的强度；因此，如果能够精确找到频率，也就同时精确找到了场强。最小的磁场传感器正是以这种方式工作。
但是，我们能否制造出更好的时钟，从而更精确地测量频率或时间？答案或许仍与约翰·哈里森的发现相同：提高频率。
铯原子的自旋翻转共振对应的频率处于微波范围，但某些原子在光学波段具有精细尖锐的共振，其频率高出一百万倍。光学原子钟之间的相互比对已显示出极高的稳定性，至少在两台时钟仅相距数米时是如此。
科学家正在考虑能否重新定义“秒”的国际定义，使其更加精确。但要实现这一目标，我们用于精确计时的各个光学时钟必须能够可靠地显示相同的时间，即使它们位于不同的实验室相隔数千英里。迄今为止，此类长距离测试的精度并不比微波时钟高出多少。
更好的时钟
如今，研究人员采用一种新方法，利用超快激光连接时钟，已证明不同类型的光学原子钟可以相隔数公里放置，且仍能保持在十的十八次方分之一的误差范围内。这与此前使用成对相同时钟相隔数百米进行的测量同样精确，但比此前使用不同时钟或长距离条件时所达到的精度高出约一百倍。
这项新研究的作者比较了基于不同类型原子的多台时钟——在本研究中分别为镱、铝和锶。锶钟位于科罗拉多大学，另外两台位于美国国家标准与技术研究院，两者相距不远。
该研究通过激光束穿越空气，将两座建筑之间超过1.5公里的时钟连接起来，并证明这种连接与道路下方的光纤同样可靠，尽管存在空气湍流。
但我们为何需要如此精确的时钟？尽管时钟中的原子理论上应当无论放置于何处、由谁观察都完全相同，但当时间测量达到如此高的精度时，仍会出现微小却有用的差异。
根据爱因斯坦的广义相对论，引力会扭曲时空，而我们能够测量这种扭曲。光学时钟已被用于探测地球引力场的差异：仅仅是高度变化一厘米即可被检测到。
借助更精确的时钟，或许可以感知地壳应力的缓慢变化，并预测火山喷发。遥远的黑洞合并所产生的引力波已被观测到——或许现在我们能够利用一对配备光学时钟的卫星探测强度更弱、由较不剧烈事件产生的引力波。
