人们普遍需要守时，这使得每个人都忙碌不停，并将社会塑造成一台运转良好的机器。无论你是抬头看墙上的时钟，还是查看手机，你不断看到的时间都是一个由世界计时员精心维护的系统所产生的。在美国，一款名为 NIST-F4 的新型原子钟已经证明是迄今为止最精确的时间测量仪器之一。
NIST-F4 由美国国家标准与技术研究院的科学家组装，已于 2025 年 4 月投入运行，该机构最近 宣布了这一消息。除了同步我们电脑和智能手机上的时钟外，NIST-F4 还为一项基本的时间单位——秒——设定了标准。
计时学的黄金标准
NIST-F4 是一款铯喷泉钟，被认为是顶级产品——全球只有不到 20 台此类设备在运行。喷泉钟不像显示小时和分钟的普通时钟那样持续运行。相反，它们充当“主要频率标准”，是世界时间的基准。总而言之，这些时钟决定着国际原子时 (UTC)，这是全球测量时间的系统。
根据 NIST 的一份声明，这款新时钟非常可靠，以至于如果它从 1 亿年前恐龙时代开始运行，“到今天也不会超过一秒。”
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铯喷泉钟如何工作？
为了实现如此精确的计时，NIST-F4 需要经过一个涉及铯原子的过程。在铯喷泉钟中，大约 10 万个铯原子团首先通过激光逐渐冷却。之后，原子向上抛射并暴露在微波辐射下。这使得原子进入一种量子态，该状态反映了它们的共振频率（在这种情况下，“铯共振频率”）。
当原子落回时，它们会受到另一轮微波的照射。这种相互作用可以比较时钟的微波频率和原子的自然共振频率。然后将微波频率调整到原子共振频率。
最后，一个探测器会计算 9,192,631,770 个调整后微波的波周期。根据 NIST 的说法，计算这些周期所需的时间定义了我们所知的“秒”。
校准全球时钟
NIST-F4 是 NIST 喷泉钟系列中的第四代产品，其历史可以追溯到几十年前。该机构的第一台喷泉钟 (NIST-F1) 于 1999 年开始运行，一直作为主要频率标准，直到 2016 年需要进行修复。
2020 年，NIST 科学家发现时钟的微波腔（铯原子暴露在微波辐射下的一个小腔室）存在问题。因此，他们不得不从头开始重建核心。修复过程还要求他们添加几个新组件，并考虑可能干扰时钟频率测量的各种因素（如压力波动和杂散电/磁场）。修复后的时钟被称为 NIST-F4。
尽管这款时钟本应“枯燥无味”，但 NIST 科学家表示，这正是他们希望在喷泉钟中看到的一种品质，因为它代表着稳定性。
NIST-F4 的数据将发送给负责协调 UTC 的全球机构——国际度量衡局 (BIPM)。该时钟的测量结果将与其他约 450 个全球时钟的数据一起汇总。BIPM 会计算所有数据的加权平均值，并告知计时机构其时钟与 UTC 的对比情况，从而使它们有机会调整自己的时间尺度。
NIST-F4 和所有其他原子钟是我们所熟知的计时的支柱。没有它们，交通和通信系统将陷入混乱。值得庆幸的是，世界上的计时员们一直在确保一切都按时进行，就像应该的那样。
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文章来源
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Metrologia. NIST-F4 主要频率标准的精度评估
美国国家标准与技术研究院. 让原子钟重获新生
美国国家标准与技术研究院. 我们如何知道现在是什么时间？
