科學家打造史上最精準原子鐘！1億年誤差不到1秒

美國國家標準暨技術研究院（NIST）最新研發的銫原子噴泉鐘NIST-F4，堪稱當今世上最精準的計時裝置。這項突破性技術將作為全球時間基準，重新定義「秒」的國際標準。

這座原子鐘的運作原理，是透過微波束讓銫原子上下運動進行計時。研究團隊表示，即便從1億年前的恐龍時代就開始運轉，至今誤差也不會超過1秒。科羅拉多州NIST的科學家們已於4月15日將詳細技術規格發表在《計量學》期刊。

預計2025年4月正式啟用的NIST-F4，目前正等待核準加入全球約450座原子鐘的行列，共同定義協調世界時（UTC）。NIST時間與頻率部門主管莉茲·唐利指出：「時間訊號每天被使用數十億次，從手錶校時到金融交易時間戳記都不可或缺。」

隨著社會對精準計時的需求日增，科學家持續研發更先進的基準原子鐘。這類裝置與日常時鐘不同，是透過原子振動來計時。NIST-F4屬於噴泉鐘，先以雷射將數千個銫原子冷卻至接近絕對零度，再用雷射束將其拋射，讓原子在重力作用下透過特定頻率的微波束產生振盪。

科學家透過計算銫原子每秒91億9263萬1770次的振盪頻率，精確定義國際秒長。但這只是基礎步驟，研究團隊還必須排除所有可能影響原子振動的微小幹擾，包括量子糾纏效應、微波洩漏、電磁場畸變等各種因素。

這項改良工程始於2020年，團隊甚至重新打造了核心微波腔體。主要研發者弗拉迪斯拉夫·格爾吉諾夫表示：「評估噴泉鐘是漫長的過程，我們必須非常謹慎，確保掌握每個細節。」

最終成果是系統不確定度僅2.2×10⁻¹⁶的超精準原子鐘，相當於每1.4億年誤差不到1秒。這微小誤差主要來自量子測量固有的隨機噪聲，未來可透過改進振盪器和雷射冷卻技術進一步降低。

NIST-F4將與前代機型NIST-F3並行運作，新機約90%時間線上，確保隨時至少有一座原子鐘正常運轉。兩座鐘的資料將定期傳送至國際度量衡局，共同校準UTC，讓全球時間保持同步。