夜幕退去，黎明初现，我们睁开朦胧双眼后第一件事情几乎都是看时间。
从每一个人的学习工作安排，到整个社会的有序运转，时间对于我们实在太重要。时间是什么，又如何测量和共享时间？对这些问题的探究贯穿整个人类文明史，人们曾用各种不同的方式去记录时间的流逝。
日前，中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院和宁波大学等单位合作，首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递稳定度达到千亿亿分之一。
时间的测量
“日出扶桑，入于咸池”，通过太阳的东升西落，我们知道了“一天”有多长；“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，通过月相变幻，我们定义了“一月”；“春生夏长，秋收冬藏”，四季循环让我们感受到了“一年”。这些时间标准都是基于天体运动的周期。单摆摆动、弹簧振动等也具有周期性，利用这些机械运动的周期，人们制造出机械钟表测量时间。还有物体在阳光下的投影、漏壶稳定的滴水，这些现象也都体现出了周期变化的性质，因此我们有了日晷、水钟……原则上，任何周期性现象都可以作为我们的时间标准。
然而，地球的自转公转周期也存在不均匀，单摆的摆动避免不了摩擦等因素的影响，日晷、水钟会受到环境湿度温度的影响……这些因素都会影响时间测量的精确性。能否找到一个更稳定、更精确的周期现象，从而提升我们对时间的测量精度？
让我们把目光从运转有序的天体转向神奇的量子世界。世界由微小的原子组成，每一个原子都可以看成是一个结构稳定的量子系统，在原子核的束缚之下，核外电子在特定的能级轨道上不断演化、运动。
原子具有不同能级，电子在两个能级间发生跃迁时会产生或吸收电磁波，两个能级的能量差决定了电磁波的频率。原子的能级结构很稳定，与之相应的电磁波频率也因此稳定。而所谓频率，即是单位时间内的振动次数，通常，我们把时间和频率统称为时频。看！原子的性质给予我们测量时间的一个新途径。
除了稳定，原子的共振频率还很高，例如铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁频率是9192631770赫兹，也就是说，1秒钟振动超过90亿次。振动频率越高，计时就越精确，这就像测量长度的尺子，刻度越密，测量精度就越高。
基于以上事实，原子钟诞生了。利用和原子的共振，我们可以制造出频率高且稳定的振荡器，进而实现极高的时间测量精度，铯原子钟可以做到一亿年只有1秒的误差。
现在科学家们又开发了锶、镱等新型原子钟，它们的频率更高，在光学波段，因此被称作“光学原子钟”，简称“光钟”。光钟的测量精度现在可以达到千亿亿分之一，在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差不到1秒。
时间的传播
要不断提升“钟表”性能，还需要把精准的时间传播出去。电脑中有一个内置的计时钟表，为了校正不断积累产生的计时误差，每隔一段时间，通过网络连接，它会和标准“北京时间”进行比对和同步。北京时间基于的便是国家授时中心的原子钟时间。
精确的计时不应局限于高冷的实验室，还要飞入寻常百姓家，因此，我们不仅要有最精确的原子钟，还要有与之精度相匹配的高精度时间传递技术。目前常用的时频传递方式有微波和光纤。利用光纤，已经能实现精度很高的时间传递，可以满足最精确光钟的要求，但光纤有其局限性，一些偏远地区还没有铺设光纤，无法满足海上导航和定位的需要。要实现全球性的时频传递网络，还需要在自由空间传输的技术，如微波传输技术。但微波的频率要比可见光频率低很多，这就像一把刻度疏松的尺子，在根本上限制了微波时间传递的精度。利用微波，无法满足光钟时间精度的传递需要。
光给予我们精度10的负19次方的时间标准。在这个世界上，有不同的光源，比如太阳光是遍布各种频率的连续光，我们常见的激光是单一频率的光源，还有另一种神奇的激光——光学频率梳，即光梳。
光梳是一种超短脉冲激光，其光谱含有一系列不同的离散、等间距频率信号，这些光学频率信号就像一个个梳齿，因此这种激光得名“光梳”。在时间上，光梳相邻脉冲的间隔比普通脉冲激光具有更高精度。光梳技术让人们可以更精确、更容易地测量频率和时间间隔，现在已广泛应用于光钟、激光雷达、天文观测等领域。
全球性光钟网络的建立，亟需高精度的自由空间时频传递技术。光梳在其中发挥着关键作用。最近，中国科学技术大学团队基于光梳技术成功实现自由空间中相距113公里的时频传递，精度达到10的负19次方水平，满足了目前最高精度光钟的需求。
地面附近自由空间的环境远比光纤中要复杂，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等因素给自由空间中的长距离时频传递带来极大困难。之前，自由空间中的光频传输技术只能实现10公里量级的传输距离。
中国科大团队向这一难题发起挑战——在光源方面，研制出高功率高稳定度光梳，在光信号收发信道方面，研制出高稳定性且高效率的光收发望远镜系统，另外采用线性光学采样的干涉测量方式实现高精度的时间测量。经过一系列技术攻关，最终基于双飞秒光梳和线性光学采样，在相隔113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间实现了万秒10的负19次方量级稳定度的时频传递。
这一突破不仅带来地面上远距离时频传递的应用，还为未来基于中高轨卫星的高精度星地时频传递奠定了基础。
为什么需要如此精确计时
在奥运赛场，百米大战最为激动人心，胜负往往在毫厘之间，我们直观上感觉到精确计时的重要性。在科学领域，时间的测量精度更高，已经步入10的负19次方量级。人们不断在理论和技术上探索提高时间测量精度，是为了什么呢？
精确的测量有望带给我们对世界的全新认识。一百多年前，著名物理学家开尔文勋爵认为“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找”，精密计量学的意义可见一斑。2005年诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔更是说“计量学是科学之母”。时间的精确测量和传递，将使人们能够对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等基础物理进行检验。测量结果的微小不同，带给我们的却可能是时空观念的转变。
时间的精确测量可以让我们的生活更便利。例如，我们的生活早已离不开导航和定位，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，要想定位更准确，就需要更好的计时精度。在大地测量、地质勘探、雷达探测等领域，精确的时间也都发挥重要作用。
光钟以及光频传递技术的发展，有望让人们重新定义“秒”。现在秒的定义在1967年被确定由铯原子钟来定义。经过几十年的发展，时间测量与比对的精确程度已经比原有定义优异两个以上数量级，因此国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义的变更。秒是七大基本物理量之一，且目前其他基本物理量（除物质的量外）均直接或间接与时频标准相联系。因此，新的“秒”定义将给整个科学领域甚至社会的方方面面带来改变。（记者 王佳）
