在科羅拉多州博爾德市附近的山腳下，國家科學技術研究所的實驗室裡，靜靜地佇立著全世界最精準的鐘。
它的精度極高，遠超其他原子鐘，以至於其研發者直到最近製造出第二個版本後才得以測量其精度。現在，兩個版本可以相互比較，他們終於得到了一個衡量原子鐘精度的數值，鐘錶物理學家稱之為原子鐘的穩定性。
「時鐘穩定性是我們這個領域常用的術語，它基本上指的是——如果你觀察時鐘的滴答聲，這個滴答聲隨時間變化有多大？」美國國家標準與技術研究院博爾德分部物理學家安德魯·盧德洛（Andrew Ludlow）告訴《大眾科學》雜誌，他致力於改進該實驗室的原子鐘。 “理想情況下，你希望每一次滴答聲都完全相同。”
美國國家標準與技術研究院（NIST）博爾德分部的原子鐘穩定性僅為十萬分之一。這比各國政府用來定義精確秒數的最佳銫原子鐘穩定性高約100倍，比石英手錶穩定性高出約100億倍。
「這些時鐘可以非常精確地測量重力場，」盧德洛說。
美國國家標準與技術研究院（NIST）博爾德分部的原子鐘採用的技術比銫原子鐘先進一代。它們恰好使用了稀土元素鐿的原子，但世界各地其他新一代的原子鐘則使用了鍶和汞等其他元素。
這些新一代原子鐘可以用來測量一些非常酷的基礎物理效應。例如，愛因斯坦的相對論一直難以透過實驗驗證。美國太空總署的一顆衛星在2011年才測量到地球周圍時空的彎曲。然而，新一代原子鐘或許可以直接在地球上測量相對論效應。
相對論預測，在強引力場中，時間會變慢。像美國國家標準與技術研究院博爾德分部這樣的天文鐘應該能夠探測到這種時間變慢……以及這種變慢在地球上不同地點是否存在差異。 “這些天文鐘可以非常精確地測量重力場，”盧德洛說，“它能讓你繪製出一個區域的引力場分佈圖。”
盧德洛的原子鐘體積太大、結構太脆弱，無法移動進行實驗，因此很少用於實際測量。盧德洛表示，美國政府已撥款給美國國家標準與技術研究院（NIST），用於研發更堅固耐用、便於攜帶的原子鐘，以用於實驗。更便攜的原子鐘還可以送入太空，在那裡進行物理實驗。
美國國家標準與技術研究院（NIST）的原子鐘是光晶格鐘，這意味著它利用強雷射場將大約1萬個鐿原子固定在特定位置。另一束雷射激發這些原子，原子的運動就是原子鐘測量時間的原理。雷射激發原子會使它們的振動頻率高於銫原子鐘中的原子。因此，光晶格鐘走得更快，能夠提供更精確的時間單位。原子數量眾多有助於平均單一原子的誤差。
因此，美國國家標準與技術研究院（NIST）的鐿光晶格鐘是世界上最精確的鐘，這項紀錄由盧德洛及其同事今天在《科學》雜誌上發表。那麼，準確度，或者說這些鐘的計時與真實時間的偏差如何呢？為了測量鐘的準確度，科學家會嘗試測量所有可能改變鐘原子結構的因素，例如溫度變化或雷射晶格對原子的影響。
盧德洛和他的團隊上一次對鐿原子鐘進行此類測試是在2009年，當時他們發現它的精度與銫原子鐘相當。他們現在正在再次進行精度測量。至於世界上最精確的原子鐘，它也位於美國國家標準與技術研究院博爾德分部，被稱為鋁量子邏輯離子鐘。
