在人类历史的大部分时间里，我们通过地球在太空中的位置来计算时间。第二个是地球日的细分，后来是地球年:时间跨度是由地球所在的位置来定义的。后来出现了原子钟。

科学家们深入研究铯元素的原子，在那里，一个被称为超精细跃迁的过程发射和吸收微波，科学家们可以借助振动的石英晶体非常精确地计时。这奠定了今天科学家测量时间的基础，并使他们在1967年对“秒”做出了更精确的定义。

这个定义在过去的半个多世纪里没有太大的改变，用来创造它的原子钟的计时也没有改变。自从恐龙灭绝以来，那些时钟一秒钟都不会少。但更好的原子钟就在这里，它们不仅仅是用来计时的——它们也是很棒的物理工具。

现在，两个不同的团队已经创造出了能够在时钟内部测量细微物理现象的时钟。研究小组在2月16日的《自然》杂志上发表了两篇论文。这些新的时钟可以测量阿尔伯特·爱因斯坦的预言之一——时间因重力而膨胀——在目前最小的尺度上。

像这样的尖端原子钟既不使用铯也不使用石英。相反，它们的基础是超冷锶原子的煎饼状结构。他们的操作人员可以使用一种发射可见光的激光来控制原子。因此，它们被称为“光学钟”。

威斯康星大学麦迪逊分校就有一个这样的光学时钟。这个时钟在相同的结构中容纳了6个锶煎饼——实际上是6个更小的时钟。(这个数字并没有什么特别之处;他们可以增加或减少。“6有点武断，”威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的物理学家西蒙·科尔科维茨(Shimon Kolkowitz)说。)

麦迪逊钟能在3000亿年后保持在1秒之内，比宇宙的年龄长20倍。那将是一项世界纪录，但这个钟甚至还不是最强大的。它被JILA的另一个多时钟所超越，JILA是美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合项目。

在同一设备中有多个“时钟”对计时不一定有用。(比如，你是看哪个钟的?)但它们确实可以让你比较两个时钟。由于这些时钟非常非常精确，它们可以测量一些非常精确的物理现象。例如，博尔德研究小组可以在一个设备内测试时间膨胀。

JILA和NIST的研究生Tobias Bothwell说:“到目前为止，这是一种你通过比较不同距离的不同时钟找到的东西。”

根据相对论，当你接近光速时，你走得越快，时间就会变慢。引力场也会导致同样的减速:引力场越强，时间膨胀越大。把地球。你离地心越近，地球的引力就越把你往下拉，你经历的时间膨胀也就越多。

事实上，你所经历的时间比你头顶上的鸟要慢，而你脚下的东西实际上比你经历的时间要慢。地核实际上比地壳早了2.5年。这听起来可能很多，但与我们星球46亿年的历史相比，这甚至不是一桶时间中的一滴水。然而，几十年来，科学家们一直在测量这些细微的差异，使用的手段从伽马射线到到火星的无线电信号，甚至是原子钟。

1971年，两名科学家将原子钟带上商业航班，并将它们分别带向世界各地。他们测量了几百纳秒的细微差别，与预测相符。2020年，科学家们在东京天空树上使用了两个时钟，一个在另一个上方1480英尺，发现了一个差异，再次证明了爱因斯坦的正确性。

这些实验表明相对论是普遍的。“基本上，地球上的任何地方都是一样的，”JILA和NIST的研究生Alexander Aeppli说。“如果你能在这里测量一厘米，你就能在其他地方测量一厘米。”

NIST已经降到厘米级了。2010年，NIST的科学家们进行了类似的测量，他们使用不同的时钟，相隔大约一英尺。

在一项新的研究中，在一个设备中放置两个锶煎饼的间隔更小:大约一毫米。经过90小时的数据收集，博尔德小组能够分辨出光线中的细微差别，这使得测量比之前的任何测量都要精确50倍。

博思韦尔说，他们之前的测量记录是观测到一个膨胀——光的频率的差异——到小数点后19位。“现在，我们已经有了21位……通常，当你移动一个小数点，你就会兴奋起来。”但我们很幸运，我们可以去两个地方。”

Kolkowitz说，Theise是“非常漂亮和令人兴奋的结果”。

但是Kolkowitz并没有参与NIST的研究，他说NIST的时钟有一个缺点:它不太容易带出实验室。他说:“NIST团队拥有世界上最好的激光器，但它的便携性并不好。”

他认为这两个小组的工作是相辅相成的。博尔德钟能够以越来越高的精确度测量时间和其他物理特性。与此同时，他认为一种类似于麦迪逊天文台的移动时钟，可以携带到很多地方，包括太空中寻找暗物质或引力波。

虽然能证明基础物理学正如爱因斯坦和他的朋友们所认为的那样是很酷的，但实际上这类科学在现实世界中也有相当多的应用。例如，更精确的时钟可以帮助导航;GPS需要校正时间膨胀。测量时间膨胀的强度可以让你更精确地测量引力场，比如，可以观察地球表面下的情况。

Aeppli说:“你可以观察地球下面的岩浆柱，然后推测火山可能在什么时候爆发。”“类似这样的事情。”