物理学家设想有一天，他们能够设计出一种非常精确的时钟，用于探测时空中的细微扰动，或者寻找难以捉摸的黑暗物质，这些物质牵引着一切，但却不发光。这只钟的滴声将近乎完美。
这个梦想可能还差得很远：一组研究人员创建了一个时钟，经过一些调整，它的精度可能是全球上最好的时钟的四到五倍。综上所述，如果今天最精确的时钟在星空诞生之时开始滴答作响，那么今天它们将仅相差半秒。有了更多的改进，这个新时钟就有可能仅关闭0.1秒。
麻省理工学院物理学教授，最近描述这项工作的高级作者弗拉丹·弗莱蒂奇说：“原子钟是人类迄今为止制造的最精确的仪器。” 他补充说：“现在，我们正在推动这一边界。”
原子钟根据原子的运动而滴答作响。从1960年代开始，负责保持地球时间和定义“秒”的原子钟就是基于铯原子。Live Science先前报道，这些时钟用微波轰击铯原子，并测量电子从较低能级（称为基态）向较高能级（激发态）振荡时的时间。
研究人员在过去的十年中，开发出了比铯原子钟精确100倍的“光学钟”。这些时钟使用激光，或可见光的元件如EXCITE原子铝或镱; 可见光的频率比微波高，因此可以激发原子的振荡比微波激发铯原子快100,000倍。这种更快的振荡为秒的测量增加了更多的数据点，使其更加精确。Vuleti？告诉Live Science，很快，将使用这些更加精确的光学时钟进行官方的“秒针的重新定义”。
但是，即使这些几乎完美无缺的光学原子钟也无法完美地测量时间，因为它们成为量子力学规则（控制亚原子粒子动物园的神秘规则）的牺牲品。运行时钟的原子是如此之小，以致于无法精确固定其状态，因此它们由概率定义。因此，电子不是处于激发态或基态，而是具有同时处于多个能级的几率。
沃莱蒂奇说：“试图测量单个原子的状态类似于掷硬币，因为实际的测量迫使原子选择基态或激发态，但两者之间永远找不到。测量的不确定性使得无法说出完美的时间。当您增加时钟中的原子数量（可以认为是抛硬币的数量）并开始取多少个被激发的原子和不被激发的原子的平均值时，测量开始变得更加精确。”
添加的原子越多，测量或不确定性（即所谓的“标准量子极限”）中的误差就越小。Vuleti？说：“由于测量的精度取决于抛硬币数量的平方根，因此，投掷10,000个硬币比投掷100个硬币要精确10倍。”
这就是为何今天的光学时钟通过平均数千个原子的振荡来测量时间的真相。但是，也不能摆脱标准的量子极限。十年前，Vuleti？和他的团队以及塞尔维亚贝尔格莱德大学的研究人员对怎么克服这一局限有了一个想法：让粒子纠缠。量子纠缠，或阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）著名的“远距离怪异动作”，是一种想法，即使微粒相隔很长的距离，它们的命运也会联系在一起。通过纠缠保留时间的原子，科学家应该能够使每对或成对的纠缠原子保持着相同的状态，并因此以相似的频率振荡，从而使时钟能够克服标准的量子极限并更精确地测量时间。
沃勒蒂奇说：“可以说，纠缠原子使得抛掷的随机性降低了。” “每个原子的抛掷仍然是随机的，但是所有抛掷的随机性都比独立原子的抛掷小。” 这类似于将100个硬币放在桌子上，50个正面朝上和50个反面朝上。如果您不看便捡起硬币，则硬币的正面或反面都是随机的。但是，一旦您拾起所有硬币，正面和反面的数目就会完全相等。他说：“量子纠缠有点像。”
现在，他们将他们的想法付诸实践。
为此，Vuleti？和他的团队在两面镜子之间放置了350个atoms原子。然后，他们发射了一束在镜子之间来回反弹的激光束。当光撞击第一个原子时，原子改变了光。然后，该光改变了第二个原子，第三个原子，甚至改变了其余的原子，最终它们全部纠缠在一起并开始以相似的相位振荡。研究小组使用另一台激光仪测量了这些原子振荡时所产生的平均频率。
当团队进行两个实验时，他们发现纠缠的原子能够以相同的精度测量时间，但是速度却快了四倍。他们还发现，当两个时钟测量的时间相同时，纠缠的时钟更为精确。
尽管如此，团队仍有一些调整要做。弗莱蒂奇说：“他们使用的激光器目前不如他们希望的那样稳定，因此时钟不能完全达到不使用纠缠的最佳时钟的性能水平。但是，通过对激光器进行调整，使用纠缠的原子有可能使光学时钟更为精确。”
未来，该团队还希望证明，通过使用多个原子钟，“您可以更好地利用从量子纠缠中获得的优势。”Vuleti？说。“最后，您可能会在远距离使用多个时钟，这些时钟会纠缠在一起并告诉时间更精确。”他补充说。
极精确的时钟最后可能会超出时间的应用范围。弗莱蒂奇说：“时间取决于引力。”他指的是，由于相对论，大物体（引力更高）扭曲时空，从而减慢了时间。
因此，如果您有两个时钟，并将其中一个时钟抬高1英尺（0.3米），则“在这两个高度上，时间实际上会有所不同。” 随着这些时钟变得越来越精确，它们可能会被用来检测时间怎么变化，从而检测出星空中微妙的引力效应，例如被称为引力波的时空波动。他说：“由于暗物质也会施加引力，因此时间变化的微小变化可能揭示出我们周围暗物质的本质。”
甚至有人猜测，物理学界中所谓的绝对常数，例如光速或电子电荷，可能会随着星空的膨胀而改变。他说，由于这些常数定义了控制原子能级的物理定律，因此它们也可能改变时间的度量。因此，“时间的本质随着星空的扩展而改变”是可能的。
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