专访叶军：当一个钟表匠想要理解宇宙 | 独家

撰文｜陈晓雪

采访 陈晓雪 林梅

编辑 | 林梅

2023年9月，在合肥的2023年新兴量子技术国际会议上，叶军（Jun Ye）作为“墨子量子奖”获得者带来精彩的现场获奖报告。

伽利略在17世纪初发明了天文望远镜，首次观测到土星周围有一个环。列文虎克则在60年后用自制的显微镜，在一滴池塘水里看到许多微小的生物在游来游去。

叶军说，建造原子钟，犹如同时建造一个显微镜和望远镜。因为原子钟的运行，是基于原子内部电子的跃迁频率，这需要了解微观层面原子之间的相互作用。而将不同的原子钟送入地球轨道，连接起来，便可以将整个地球变成一个灵敏的望远镜，用来观察宇宙。

叶军是一位制造原子钟的钟表匠，也是研究量子多体物理学的科学家，现任职于美国科罗拉多大学博尔德分校、美国国家标准与技术研究院（NIST）以及二者共建的天体物理联合实验室（JILA）。

他建造出来了世界上最为精准的光学原子钟，使得我们对于一秒钟的测量精度达到10^-19，在整个宇宙年龄的时间里，这个时钟运行的误差都不会超过一秒。

叶军希望，通过不断提高测量时间的精度，探索微观的量子力学与宏观的引力理论。

在过去三年，叶军带领实验室将光学原子钟精度的多个指标提高了一到两个数量级。这意味着，这个显微镜和望远镜的能力也得到了相应的提升。

“如果你可以创造一个新的仪器出来，把测量科学的前沿往前推几步，去看人家从来没有看到过的东西，能够帮助人们看得更深一点，或者看得更远一点，（我）就觉得赋予了自己很大的力量。”

9月20日，在合肥举行的第二届新兴量子技术国际会议的间隙，叶军接受了“墨子沙龙”的专访，回顾了自己的研究生涯，以及为何会花20多年来建造光学原子钟。

物理学家叶军花了20多年的时间，来推动光学原子钟的精度。在这一过程中，他做出了许多重要的发现，包括2022年在1毫米的尺度上验证爱因斯坦的广义相对论。图片由受访者提供。

选择

叶军1967年出生在浙江绍兴的一个知识分子家庭[1]，父母都是大学毕业生，这在当时并不常见。他的父亲曾在海军服役，在叶军6岁时回到家乡工作，母亲则是农业和环境领域的科学家，常常需要出差[2]。

在很长一段时间，叶军大多数时候是和奶奶一起生活的。尽管奶奶并不识字，她在叶军刚刚开始记事起就送给他一支铅笔和一个笔记本作为礼物。

叶军很早就觉察到自己对文学的兴趣，他喜欢明朝的三言二拍的古文小说，也喜欢雨果、莫泊桑、契诃夫的短篇小说，家里订的《小说月报》，他每期必看。他也爱读鲁迅的杂文，尤其是对于人性入木三分的描写。

当金庸的小说在20世纪80年代进入内地，他很快成为了金庸迷，甚至在1984年去外地参加全国首届高中物理竞赛时，随身携带的两本书，其中一本就是金庸的《天龙八部》。

语文老师费锡如欣赏叶军的作文，常常鼓励这个文笔出众的男孩：叶军，你要成为一个作家。

但与此同时，叶军喜欢解数学题，对物理实验也兴趣浓厚。

“我非常崇拜我的语文老师，一个复旦大学毕业的不折不扣的才子。在他的压力下——但这个是非常好的压力，他给了我很多的动力。我那时候就确实挣扎过一段时间，到底去做文学家还是去念理科。”叶军告诉“墨子沙龙”。

在那次物理竞赛之后，叶军觉得自己还是对物理更感兴趣一些——他梦想着作为科学家，“可以算算东西”，“说不定做点有用的事情”。

因为在物理竞赛中的优异表现，他在1985年被上海交通大学物理系录取。

交大四年，叶军学会了怎么去做光学实验，怎么去对问题追根究底。“李劬老师教了我怎么样去看不同的文献，如果你不懂的话，你就再找上一篇的文章，如果你还是不懂，再找上一篇的文章。”

那个时候没有互联网，要读美国《物理快报》（Physical Review Letters）杂志的一篇文章，需要到学校图书馆复印。“图书馆里面有一个复印机，5分钱印一张，我还记得很清楚，把复印机里面把4页的稿子印出来2毛钱，然后拿回实验室去读，就像宝贝一样。”

尽管最后没有从文，这位物理学家说，他觉得文学带给一个人的影响是巨大的，包括对待新事物的态度，对人生的看法。或许还有对友情的看法。

2016年，他在JILA的同事、好友、合作者金秀兰（Deborah Shiu-lan Jin,昵称为Debbie）因癌症英年早逝，年仅47岁。金秀兰比叶军小一岁，是一位天才物理学家，2003年在实验室创造了第一个费米子凝聚态，这被认为是物质的第六种形态[3]。

叶军写了一篇记念文章，追忆与金秀兰之间的点滴[4]。他用五个由字母C开头的单词来形容金秀兰：Caring（体贴）,Charming（优雅）,Clarifying（直言）,Confident（自信）,Courageous（勇敢）。

在阐释自信时，他举例说，曾经有很多大学想聘请他，但他都没有认真想过这件事。终于有一所大学让他动心了，因为那里有几位他非常尊敬的同行。他就此到金秀兰的办公室征求她的意见。“昨天我接到这些同行的电话……”

他写道——

Debbie微笑着，露出了深深的酒窝：“军，你喜欢和我一起工作，对不？”叶军说：“是的……”“但是我不会去其他学校。”Debbie说。然后，事情就这么解决了。

在解释“勇敢”时，叶军写道——

“在整个癌症治疗过程中，我想Debbie一直认为她会克服这个挑战，就像她克服在物理实验中的挑战一样。她只哭过一次，那是一月下旬，她告诉我自己患了癌症，然后她试图安慰开始哭泣的我。”

Debbie离开后，叶军代替她来继续指导她的部分博士研究生，直到他们从科罗拉多大学毕业，取得博士学位。

作为实验物理学家，叶军对人的观察细致入微。

他曾这么描述自己的博士后导师、加州理工学院教授杰夫·金布尔（H.Jeff Kimble）——

“当我们的二女儿Selene（诗莲）大约4岁时，杰夫来我们家吃晚饭。Selene从未见过像杰夫这么高的家伙，所以她不停地和他玩耍。他们玩的游戏之一是两人拇指大战，杰夫巨大的手掌完全吞噬了Selene的小手掌（我希望他捏得轻一点）。然而，Selene的拇指仍然可见，她还在尽力去抓住杰夫的拇指。从远处看着，我看到了杰夫完全沉浸在游戏中。我希望Selene足够成熟，能够意识到杰夫是多么认真地在和她玩游戏。他玩游戏的专注程度，和他追求生活中大多数事情时是一样的。”[5]

从1990年在《应用光学》（Applied Optics）发表第一篇科研论文（上海交大的毕业论文）算起，叶军至今发表在学术期刊的文章有420篇。今年，他的实验室发表和已经提交的学术论文，已经有18篇，有多篇发表于一流期刊，包括《科学》（Science），《自然》（Nature），等等。

在谷歌学术上[6]，他的名字出现在了984篇论文、综述、教材和学术会议摘要中，有的引用次数达到2138次，那是他与物理学家金秀兰在2008年发表的一项合作研究，首次得到了处于量子极限的超冷极性分子气体[7]。

这些文章，见证了他在科学世界的冒险与探索，记录了他和同事在原子、分子和光学世界的发现，多次精细实验的数据分析与讨论，推进物理前沿的总结和思考。从交流思想的角度来说，叶军也是一位作者（writer）。

在和我们的交流中，叶军也提到了科研与文学创作也有相通之处：时间的投入。

2004年，37岁的他接受《科学时报》采访时表示，30多岁和40多岁是一个人做研究的最好阶段，也是事业起步的阶段。他说，国家应该让真正出类拔萃的人有20年时间专心做研究，因为一个人的精力有限，如果做行政工作，就不可能集中精力做研究。[8]

“20年可能还不够，哈哈！我已经做了20年多了。”当我们找出这段采访时，55岁的叶军脱口而出。

叶军说，直到今天，他的这个观点也没有变。“你要真正做出优秀的工作的话，我想这是不可能变的。”

“有很多人做到一半了以后，觉得可以去做行政工作，或者做管理的事情。每个人的兴趣不一样，但是我觉得做什么事情，就像你要写大部头的小说，也一样的道理——你要花很长的时间，完全投入进去，然后去写。我觉得没有什么区别，实际上做任何行业都是一样的。”

Jan Hall

1989年，从上海交通大学毕业以后，叶军前往美国新墨西哥大学学习。两年后，他进入科罗拉多大学攻读博士学位，跟随JILA研究员约翰·霍尔（John L. Hall）做研究。

1934年出生的约翰·霍尔，从1960年代激光刚被发明时就开始研究激光技术，可以说是激光稳频领域的鼻祖。美国最初探测引力波的技术，一开始就是霍尔提供的。

叶军与霍尔关系的特别之处在于，他不仅是霍尔的关门弟子——霍尔招收的最后一位博士研究生，还在1999年重新回到JILA，接管了霍尔的实验室，并和霍尔保持了良好的合作关系。霍尔在2004年11月正式退休后，还会经常去叶军的实验室焊电路板，和学生一起吃饭、交流。

这位思维敏捷的物理学家说，霍尔是自己到美国之后对他影响最大的人。

“他教我学了书本的知识是不够的，什么东西你都可以用自己的双手比人家做得更好，只要你想得深——这是他教我最重要的一点。”

“我和他一起做实验，他总是会讲你去买一个仪器来，它做的信噪比不太好，我要把它提高一下。所以你想那时候作为一个学生，你能够从公司里面买一个仪器回来，你就觉得他们肯定是做的最好的，对吧？但是当Jan（朋友们称呼霍尔为Jan）告诉我，我可以自己来做，而且做得比公司买来的更好。这对我来说是很震动的。”叶军回忆道。

博士研究生期间的叶军在霍尔实验室。图片由受访者提供。

在霍尔实验室期间，叶军主要研究热分子光谱，也就是分析室温条件下分子的精细光谱，了解分子内部的作用。他和霍尔合作开发出了一种仪器，可以测量不同的分子吸收光的波长。随后，他们又建造了一种仪器，用来测量激光的光频率敏感性。

在此过程中，叶军逐渐体会到了作为实验物理学家，发明新仪器、搭建实验的力量。

“你学了很多书本的知识，但是如果没有用双手把一个仪器建立起来，用它去测量大自然的现象，总觉得很遗憾。如果你能够用自己的双手建造一个仪器，能够做比人家更灵敏的测量仪，这会让你觉得empowering yourself。”

如果说霍尔对于动手的执着给了叶军极大的震动，同样的，叶军的勇气和学习速度也让霍尔印象深刻。

霍尔还记得他和叶军认识的情景。那大约是在1991年，美国犹他州一个滑雪度假村的学术会议上。

会议有一个激光稳频和精密测量的专场。那天下午，许多参会者都去滑雪了，霍尔的报告还是吸引了不少人。

“有一个年轻人走上前来，说：‘噢，这东西真酷。我要和你一起研究这个。’”2007年，霍尔在一个口述史的访谈中回忆说。[9]

1991年，在美国犹他州的一个学术会议上，叶军遇到了未来的博士导师、合作伙伴Jan Hall。图片由受访者提供。

这个年轻人就是叶军，他自我介绍正在新墨西哥大学学习，研究二极管激光，对霍尔报告的内容很感兴趣。他说，他已经通过了新墨西哥大学的博士生资格考试，但是他的论文导师要回爱尔兰了。

霍尔建议叶军留在新墨西哥大学跟随其他教授完成学业，等他博士毕业后再跟他做博士后。

令霍尔惊讶的是，叶军直接申请了科罗拉多大学的博士研究生，并被奖学金委员会评为最优秀的候选人之一。

“他来了这里，加入了我的实验室。所以我告诉他，他真的是一个富有冒险精神的年轻人。”

当时，对于从发展中国家来的叶军，霍尔担忧他技术基础薄弱。他把一套电子学的书借给叶军看，并告诉他周六和周日不需要为JILA做研究，但是他可以尝试点别的东西，比如JILA的车间有相当不错的运算放大器、数字电路、电阻等材料。

“他会从书中阅读，然后在某个时候，他会想，‘哦，这很酷。我想试试。它是如何工作的？’然后，他会搭建电路尝试。”

霍尔说，短短几个月之后，叶军就这样成为了电子学领域的专业人士。“对我来说，这真是太神奇了，因为当我们讨论一些电子学问题时，他会说：“你知道，我已经尝试过了，你说的并不适用，原因如下。”

而且，霍尔说，叶军和自己的交流直接开放，完全不会因为自己是导师的关系而让自己占上风。这个年轻人会很自在地说：“你知道，那不对，我已经试过了，它的工作方式完全不同。”

在科罗拉多大学的要求之下，叶军重新参加了博士资格生考试，因为他们认为，新墨西哥大学对博士研究生的训练可能达不到他们的标准。“他在参加考试的所有人中排名第二，这是口试部分。这或许可以理解，因为他才来这里一年左右。而且英语不是他的母语。而在笔试部分，当然他是第一名。”霍尔回忆道。

后来作为霍尔的合作者，叶军对诺奖工作光学频率梳的发明与发展，做出了非常重要的贡献，这也让他在独立研究早期就声名远扬。

2005年，时年71岁的霍尔与德国马普量子光学所（MPQ）的奥多尔·亨施（Theodor W. Hänsch）因为他们“对包括光学频率梳在内的激光精密光谱技术发展作出的贡献”共同分享了一半的诺贝尔物理学奖。[10]

光学频率梳是一种特别的激光器。它能够输出一系列频率均匀分布的激光，这些激光的频率间隔是如此均匀而精确，就像一把拥有精密刻度的尺子一样，可以用来丈量光的频率。

1978年，还是斯坦福大学的助理教授、德国科学家奥多尔·亨施首次提出将光学频率梳的概念。2000年4月28日，霍尔与JILA的同事Steven Cundiff等人首次在一种特别的激光器上，也就是光学频率梳上，得出了光学频率与微波频率的直接关系，并且成功测量出一种红外线激光的精确波长[11]。一个月后，霍尔与叶军、亨施合作，利用光学频率梳第一次直接测量了一种近红外线激光的频率[12]。这篇标志着光学频率梳可以用来直接测量光学频率的论文，和叶军在2001年与霍尔等其他同事合作的另一篇关于光学频率测量研究的综述[13]，被诺贝尔委员会收录进2005年诺奖工作的介绍。

当然，叶军和霍尔关于光学频率梳的合作研究不只这两篇文章。2005年12月，霍尔出席诺贝尔奖颁奖典礼，邀请叶军全家一起前往斯德哥尔摩。

2005年12月，叶军受邀参加诺贝尔颁奖典礼。从左至右为：叶军、Jan Hall和Steven Cundiff。图片由受访者提供。

“我确信，如果没有军，事情进展会慢得多。”霍尔在上述口述史访谈中表示。

对于霍尔获得诺奖，叶军表示，“这（光学频率梳）是他的一辈子的心血。他是从1960年代开始做激光稳频，做了很多年，真正做到世界一流的激光稳频工作，并为整个领域打下了技术基础。最后光学频率梳能够很快出来，是因为我们用了很多Jan发明的技术。”

更精密的钟

1997年，叶军离开洛基山脚下的科罗拉多大学，来到美国西海岸的加州理工学院，加入了杰夫·金布尔实验室做博士后研究。

金布尔是腔量子电动力学(cavity-QED)领域最有影响力的先驱之一。在金布尔实验室，叶军尝试在高精细度的光腔中把原子一个个冷却下来，等它们的运动速度降下来，再抓住一个原子，观察它的量子态，也就是单原子的腔量子电动力学。

对于已经做了五年热分子（也就是室温条件下的分子）的叶军来说，这一研究是全新的，也是迷人的。他从研究文献入手，了解这个领域的科学背景，并学习最新的研究工具。

“非常有意思的是，我们有很多原子的时候，这些原子乱七八糟的，你控制到一个原子的时候，你就觉得很了不起。然后你把所有的原子都扔掉，就抓住一个原子，这个原子你可以做quantum state control，实现它的量子态操控，这就是我做博士后学到的东西。”叶军说。

他意识到：既然我能够抓一个原子，可不可以抓100个原子，抓1000个原子，然后把它们一个一个抓起来，互相之间进行作用？

这会发生什么呢？

“那就相当于你做了一个network，并不是单个原子在那里工作，而是有很多的原子在那边工作，这样就可以提高你的信噪比，可以去做量子多体物理、量子计算机，或者做clock（时钟）。”叶军说。

时钟，人类一个古老而日益精进的发明。历史上，人类使用过多种多样的计时装置来测量和指示时间的流逝。例如，根据太阳的位置来指示一天时间的日晷。对于较短的时间间隔，17世纪单摆钟的发明是一个里程碑，钟摆利用地球的重力，以相同的振幅和频率摆动，计时变得精确起来。

但到了大航海时代，拿一个单摆钟上船，摇摇晃晃，单摆钟很快就失效了。18世纪，英国的一个工匠约翰·海尔森（John Harrison），采用金属发条和滚子轴承，发明了英国当时最为精确的表，其中的一只帮助探险家和航海家库克船长进入太平洋，经过热带和寒带。

再后来，半导体集成电路的发明，人类迎来了精确度更高的石英电子手表。但当人们逐渐揭开原子内部的结构，一切都不一样了。

费曼说，宇宙万物由原子构成。的确，原子在这个世界之基本，多到可能数都数不清。原子这个词，源自希腊语“atoms”，指的就是“不可分割的微粒”。

到20世纪初，人们发现原子内部是有质子和电子的，后来又发现了中子的存在。一个关于原子的模型就此构建出来：带正电荷的质子、带负电荷的电子和不带电荷的中子，质子和中子装在原子核内，电子在外面不同的轨道上运动。

1930年代，美国科学家拉比（Isidor Isaac Rabi）等人发现，通过对原子施加额外的电磁场，可以让电子从低能级轨道跳到高能级态轨道，而当电子从高能级轨道回到低能级轨道，就会释放出电磁波。原子从高能量态到低能量态的这一过程，被称为跃迁。原子跃迁具有规律性、周期性，均匀稳定。1945年，拉比在一个报告中提议，使用特定原子的两个能级作为频率参考来建造原子钟。[14]

我们现在使用的时间基本单位“秒”的定义，就是基于铯原子的跃迁频率。1967年，第13届计量大会将一秒定义为“铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770 个周期的持续时间”。

1999年，65岁的霍尔教授准备从JILA退休，JILA就需要再招一位研究员来接替他。

他们想到了叶军，向他发出邀请。时年31岁的叶军对斯坦福大学、哈佛大学和麻省理工学院也感兴趣，但他最终决定回到JILA。

“我从加州理工学院回来的时候，就在想做光学钟，如果要做原子钟的话，我不应该只用一个原子，而用很多的原子。”叶军说。

原子是中性的，不带电荷，不会像离子（带电的原子）一样容易发生电荷之间的相互作用。虽然一个原子跃迁释放出来的信号很微弱，但如果把同类原子的数量放大一千倍，一万倍，甚至百万倍，它们共振的信号就变得很强了。

正如前面所说，我们当前使用的秒的定义，是基于铯原子钟的原子共振频率，但这一频率是在微波波段，而叶军所做的光学钟，利用激光来激发原子的跃迁，这些原子共振的频率在光学波段，比微波频率高好几个数量级，因此也被称为光学原子钟。

光的范围远远超出了可见光谱的范围。从蓝色可见光的一端向不可见光区域扩展，会依次经过紫外线、远紫外线谱区，接着延伸至X射线、γ射线谱区。从红色可见光的一端向反方向扩展，则会依次经过红外线、微波、无线电波谱区。在光的波谱上，随着波长越来越短，光的摆动频率可以变得非常非常快，到了红外线的区间，每秒可以振荡10¹⁴次以上。这已经超出了当时最先进的微波计数器的计数范围。图源：Ufoismey3k, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

确定了研究的方向，下一步应该怎么走?

如同做原子钟，做光学原子钟，需要至少三个核心要素：一个是钟摆，即某类原子的跃迁频率，二是持续激发原子跃迁的合适激光，三是原子跃迁释放出的光信号的频率计数器。

这三个要素的挑战各不相同。我们先来讲一下要素三：如何测量光的频率。

“光的频率比（当时）所有的电子设备都要快很多，在90年代末的时候，要去测量光学的频率是非常困难的。那个时候要做光学钟，第一个问题要解决的就是怎么样发明一个仪器来测量光学的频率。”叶军说。

因此，在JILA的前五年，叶军工作的一个重心，就是与霍尔一起解决光频计数的问题，解决方案就是光学频率梳，帮助将光学频率转化为使用现有的普通电子器件就可以计数的微波射频信号。这期间，在JILA访问的上海华东师范大学的马龙生教授也一起做出了突出的贡献。

从左至右为马龙生、Jan Hall、叶军。图源：https://nanohub.org/resources/6058/download/2008.10.09-hall-nsu.pdf

“在光梳（光学频率梳的简称）被发明以前，没有人给你光梳用，这就需要你自己把它做出来以后去控制它，去测量它，去调试它，然后用它来作为一个测量工具。这个测量工具到底做到什么样的程度，这都是我们一篇文章一篇文章发表，来告诉世界，这个光梳到底要做得多么好。”

这个技术是如此基础，成为很多实验室的常规技术。此后，无论人们是通过离子还是中性原子，甚至是冷分子来做光钟，都需要用到光学频率梳。

至于光学原子钟的钟摆，叶军选择了锶原子。这是他最喜欢的原子，位于元素周期表第二列的一种元素，在最外壳层有两个电子，它们可以在两个电子轨道之间跳跃。锶原子的一个独特之处在于，它停留在激发态的时间非常长，跃迁的线宽又很窄，方便进行精确的频率测量。

叶军对于室温下的原子非常了解，它们乱七八糟，到处乱飞。要做原子钟，首先要降温，让它们的运动停下来。实验室常用的原子冷却法，就是激光冷却法。1980年代末到1990年代初，美籍华裔科学家朱棣文和其他科学家一起发明了这种冷却原子的方法。具体来说，先把原子放在真空环境里，与外部的空气隔绝开，向原子迎面发射一束精确调谐的激光，原子吸收了激光的能量之后，运动就会很快减慢。

接着，就要通过光学陷阱捕获这些原子，这样才能长时间地去观察它们，来实现精密测量。问题在于，在冷却和捕获原子的时候，会产生由光造成的原子能级移动效应，对原子的跃迁频率产生影响。如何在捕获这些原子的同时，并且激发原子跃迁，并让每个原子跃迁的频率保持稳定呢？

1999年年底，叶军和导师金布尔在加州理工的工作发表。通过光学的手段捕获原子并进行量子操控，他们发现，需要找到一个特定波长的激光用来捕获原子，来保持原子的两个量子态，也就是原子跃迁的稳定。

毫无疑问，要做光学原子钟，找到这个特定的激光波长很关键。2000年6月23日，致力于各种原子结构计算的JILA理论物理学家Chris Greene发邮件给叶军：经过计算，他找到了这样的一个魔术波长，可以做到在囚禁原子时做到原子跃迁的频率稳定。[15]

在实验中，这种特定波长的激光，被称为“魔术波长”（magic wavelength），后来被用到了囚禁原子的光晶格之中，来避免影响原子跃迁的频率。

差不多在同时，2001年9月，日本东京大学的香取秀俊（Hidetoshi Katori）提出了构建光晶格原子钟的概念，可以将原子限制在一个个光学构建的晶格中，并激发它们的极窄跃迁。2003年，香取秀俊正式提出了“魔术波长”的光晶格原子钟。

2005年5月，香取秀俊研究组率先实现世界上第一台锶原子（Sr87）光晶格钟，并测量钟的绝对跃迁频率[16]。2006年1月，叶军带领的研究小组也报告实现了锶原子光晶格钟[17]。到了9月，法国巴黎天文台的实验组也报告实现了锶原子的光晶格钟[18]。

此后，更多的研究组加入到了光学晶格钟的竞争之中，光学晶格钟的性能，包括准确度（accuracy）和稳定性（stability）的指标，也在不断提升。在这一竞争中，叶军的小组总是处于最前沿的位置。

2008年，叶军带领团队建造出来的锶原子光学晶格钟，准确度超过了当时的铯原子钟。图为2008年叶军在JILA。图片由受访者提供。

2008年，叶军带领的研究小组测出最新的锶原子光晶格钟的绝对跃迁频率，并将系统不确定度减小至1.5×10-16，这意味着它的准确度超越了当时准确度最高的铯原子钟[19]。

叶军对这一研究至今印象深刻。“那个时候，我们都知道一个原子的quantum coherence（量子相干）时长可以达到几十秒，但怎么样在实验上实现它，仍然觉得不可思议，因为原子总是在那里走来走去，你要去看它的时候，总是看不准，有多普勒效应，有各种各样不同的干扰。一直到2006年，我们的实验室才第一个把clock transition（钟的跃迁），可以做到一个赫兹的线宽，赫兹是一个能量的单位，它的倒数是秒。长时间地保持量子相干性很重要，相当于一个原子钟的单摆在那里摆，一秒钟可以摆10的15次方次，而且单摆摆了10的15次方次以后，我还知道这个单摆在什么位置，它在左边还在右边，这对时钟精度的提高是起到了关键的作用。”

到了2014年2月，叶军小组通过同时控制1000多个原子的量子态，将锶原子光晶格钟的系统不稳定性降低至6.4×10^-18，成为性能最好的原子钟。[20]

2018年，叶军带领的小组创下光学原子钟的最新记录，他们报告了将约1万个锶原子放在3维光晶格中，实现光原子钟的相对精度达到2.5×10^-19，这个误差相当于宇宙年龄误差100毫秒。[21,22]

凭着对光学晶格钟的发明和发展做出的开创性贡献，叶军和香取秀俊一起先后获得2020年度的墨子量子奖，以及2022年的科学突破奖基础物理学奖。

极限

如今，叶军的实验室还在继续推进测量时间的精度。

他告诉我们，在取得世界最高的测量精度以后，他和同事最近一直在努力进一步提高测量时间的准确度。

从应用的角度来说，时间的精度越高，越准确，我们的卫星定位和导航系统也就越精准，这是因为导航系统从本质上来说就是一个时间测量系统。

叶军和同事们测量时间达到的精度，显然已经远远超过了我们的想象，超出了当前的实际应用。

那么，为什么还要继续测量时间呢？

“我现在研究的课题，就是把很多的原子放在一起，研究它作为一个量子多体物理的现象。钟不光是看时间的，还用它来研究frontiers of quantum science（量子科学的基础科学前沿），这是相辅相成的。”叶军说。

原子钟每一次精度的提升背后，都意味着某项技术的改进，或者某些影响原子钟准确性和稳定性的量子物理问题得到了理解和最终的解决。

例如，叶军小组在2014年的结果的提升，就是因为他们准确测量原子的环境温度，大大降低了温度带来的黑体辐射频移的测量不准确度。[23]

叶军他们发现，对于原子钟来说，虽然单个原子被囚禁在光晶格时非常安静，但当原子的数量增加到几千、几万时，原子之间仍然有微弱的相互作用。

2018年的测量结果提升了一个数量级，是因为叶军他们找到了一种特殊的方法，使得多个原子合并在一起，然后变成绝缘相来避开彼此，这样原子之间的相互作用得到了极大的抑制，进而避免了与原子密度相关的频移。

“quantum particle（量子粒子）放的越多，时间做的越准，但是时间做的越准了以后，你就会去看这些quantum particle都在互相作用，会不会让时间变得不准。所以，我觉得这是一个好像永无止境的科学的探索。”

“从这点来讲，AMO physics（原子、分子和光学物理）很有意思，从一开始很多原子random的运动，到后来发明激光把原子冷却了以后，然后选出一个原子来进行量子态的操控，接下来又把原子一个个的联合起来。你可以看到这个原子的研究从无序到有序，再将很多原子简化到一个的过程，现在我们又重新回到很多原子，但已经有了本质上的区别，以前是random（随机）的，现在是everything is under control（一切尽在掌握）。”叶军说。

更加精确的光学原子钟，除了量子物理本身的探索，还可以从微观层面观察量子力学和引力理论之间的联系，用来帮助寻找远方的引力波，探测神秘的暗物质。

“如果你没有好的显微镜，那块玻璃看起来很平滑。有了显微镜，你会发现这块玻璃实际上有很毛躁的东西在上面。你看得越深，你就越会知道微观层面what’s going on。”叶军解释说。

去年2月，他的研究小组提出了如何使原子钟比之前精确50倍的方法，在毫米尺度验证爱因斯坦的广义相对论[24]。他们发现，即使在1毫米的高度差上，一个原子团的两个区域的时间相差大约一千亿亿分之一，也就是大约3000亿年只相差1秒，这与广义相对论预言一致。这是人类第一次在如此微小的尺度验证爱因斯坦的广义相对论，论文登上了《自然》封面。

“爱因斯坦的广义相对论预测引力redshift（红移），就是钟在地球表面上不同的高度，是有不同的时间的，现在我们可以很准，在头发丝一样的高度差异上都可以测出来时间的不同。这在以前是不可以想象的。”叶军说。

今天，统治整个物理学界的两大理论，一个是爱因斯坦的引力理论，另一个是量子力学。但是，在微观层面显示出作用的量子理论，和宏观的引力理论之间的关系是什么样的，现在还没有人知道。

“在量子力学里面，我们都讲到有一个波函数，这个波函数表明这个粒子在什么地方你是不确定的。而引力理论认为，它在不同地方的时间是不一样的，这就有一个conflict between quantum physics and gravitational physics。这个矛盾到现在为止没有实验的手段去检验。如果我们把时间测量做得很准，就可以尝试着去看看量子力学和引力之间的关系，这个是爱因斯坦一辈子都没有解决的问题。”叶军解释说。

那么，是否存在一种特别的量子引力，可以将量子力学和引力理论连接起来呢？

叶军表示，因为我们现在还缺少足够精确的时间测量，“量子引力是目前的实验做不到的，gravity（引力）实在太弱了，你要去做这个实验，只能够到黑洞附近去做。”

对于测量时间，一个很自然的疑问是：测量时间的精度有极限吗？

“如果你说时间测量做的越准，下一个测量的limit在什么地方，我可以说我现在看不到limit。从量子力学来讲，任何的问题，我们碰到觉得是一个limit，到最后都变成了一个物理问题，我们可以把它解释掉。”

他表示，几年以前，人们很难想象将光学原子钟的精度做到10^-19。“现在我可以做到10^-19，看到很多新的现象，比如两个原子放在一起，它即使不碰撞，也会互相进行感应作用，这些我可以测出来了，我既然能测出来就能控制它，那就不成为一个limit。”

“其实所谓的极限，是我们认识的极限。如果你往前面走，往深度去，还有很多东西我们现在不知道。比方说，为什么我们存在宇宙里面，照理来说我们不应该存在，因为宇宙大爆炸产生，应该有反物质和正物质，全部物质放在一起，它就会湮灭掉。可是我们都还存在，为什么呢？不知道。”

“接下来limit在什么地方呢？说不定limit是，我们这个宇宙并不是一个静止的宇宙。”叶军说。他描绘了这样的一个情景：宇宙就好像是一个交响乐团，大爆炸一直在发生，里面有许许多多的黑洞和恒星，有时候两个恒星相互吸引，湮没，然后产生了引力波。

“如果时间的测量做得很准以后，我们就可以一直会碰到这些引力波，这些引力波过来以后也会影响测量时间的时钟的变化。因为宇宙里有很多的黑洞，很多的恒星，它们都在发出引力波，所以最后就变成，很多的引力波叠加在一起，就好像大海总是有波浪在那里。”

“说不定我们的钟做下去，100年、200年以后，你就会觉得整个宇宙就像一个海洋，充满了引力波的海洋，宇宙大爆炸的引力波不断回来，可以用我们的钟听到。”叶军说。

作者感谢丁世谦博士、戴汉宁博士和张浩然的专业讨论，感谢丁世谦博士对文章的修改建议。

参考资料：

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