根據(jù)原子物理學(xué)的基本原理，當(dāng)原子從一個能量態(tài)躍遷至低的能量態(tài)時，它便會釋放電磁波。同一種原子的電磁波特征頻率是一定的，可用作一種節(jié)拍器來保持高度精確的時間。

原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特征頻率同步作為產(chǎn)生時間脈沖的節(jié)拍器。

2020年底，《自然》雜志刊載了一篇來自美國麻省理工學(xué)院研究人員的成果報道，這些研究人員利用量子糾纏現(xiàn)象新設(shè)計出一種原子鐘，如果運(yùn)行約140億年(大約是當(dāng)前宇宙的年齡)，該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒之內(nèi)。而在同樣的時間框架內(nèi)，此前最先進(jìn)的原子鐘偏差在半秒左右。

自從人類意識到時間的流逝，就開始利用周期性現(xiàn)象進(jìn)行追蹤。在古代，人們是觀察太陽、月亮在天空中的運(yùn)動來判斷時間的運(yùn)行，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類測量時間的手段也越來越先進(jìn)。15世紀(jì)，依靠鐘擺和發(fā)條組成擒縱機(jī)構(gòu)誕生，成為現(xiàn)代機(jī)械鐘表的核心，再后來又出現(xiàn)利用石英周期振動來計時的鐘表。到后來，原子鐘的出現(xiàn)成為人類計時史上的一次重大革命，它使得計時標(biāo)準(zhǔn)從天文學(xué)的宏觀領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了物理學(xué)的微觀領(lǐng)域，歷史從此由“天文秒”時代進(jìn)入“原子秒”時代，開啟了人類時間測量的嶄新階段。人類對時間的測量和追蹤正在越來越接近宇宙的本源。

通過跟蹤原子振蕩來測量時間

生活中常以分秒來計時，在當(dāng)今太空探測、通信導(dǎo)航、天文觀測、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，越來越需要更精密的時間測量。時間常常被準(zhǔn)確到萬分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了達(dá)到要求，許多精密的計時器誕生，原子鐘就是其中之一。

原子鐘是世界上已知最精確的計時儀器，采用了最準(zhǔn)確的時間測量和頻率標(biāo)準(zhǔn)，同時這一標(biāo)準(zhǔn)也被認(rèn)為是國際時間和頻率轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于控制電視廣播和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號傳遞。原子鐘的研發(fā)涉及到量子物理學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等眾多學(xué)科，目前國際上僅少數(shù)國家具有獨(dú)立研制能力。

根據(jù)原子物理學(xué)的基本原理，原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。當(dāng)原子從一個“能量態(tài)”躍遷至更低的“能量態(tài)”時，它便會釋放電磁波。這種不連續(xù)的電磁波的頻率，就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的——例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。原子鐘就是使用激光來測量原子的共振頻率，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計時。

如果要追求近乎完美的時間測量，原子鐘必須去跟蹤單個原子的振蕩。但是按照量子力學(xué)的規(guī)律：當(dāng)被測量時，原子振蕩的行為就像拋一枚硬幣，只有在多次翻轉(zhuǎn)中取平均值才能給出相對穩(wěn)定的數(shù)值，這被物理學(xué)家稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限。因此，今天的原子鐘被設(shè)計用來測量由成千上萬個相同類型的原子組成的氣體，以便估算其平均振蕩頻率。

盡管原子鐘的類型有多種，但其背后的原理大致相同。目前最常見的原子鐘使用的原子包括氫、銫、銣等堿金屬原子。但元素周期表中有100多種元素，為何科學(xué)家偏偏對這幾種原子情有獨(dú)鐘?

這是因?yàn)閴A金屬原子內(nèi)部只有一個價電子，理論模型相對多價電子體系較為簡單?？茖W(xué)家在長期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，堿金屬原子中銫原子鐘又最為穩(wěn)定，誤差可低至每2000萬年1秒的水平。

據(jù)了解，銫原子鐘使用銫原子束，通過磁場將能級不同的銫原子分離該時鐘將高穩(wěn)定性銫振蕩器與GPS高精度授時、測頻及時間同步技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，使銫振蕩器輸出頻率馴服同步于GPS衛(wèi)星銫原子鐘信號上，提高了頻率信號的長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，能夠提供銫鐘量級的高精度時間頻率標(biāo)準(zhǔn)，是通信廣電等部門替代銫鐘的高性價比產(chǎn)品。

氫原子鐘將氫原子保持在四周由特殊材料制成的容器中，從而使氫原子保持所需的能級，而不至于太快失去其較高的能量狀態(tài)，但是環(huán)境溫度變化及微波諧振腔老化會引起其輸出頻率的變化，從而導(dǎo)致氫原子鐘長期性能變差，為了減小這些影響，可借助自動調(diào)諧器來確保諧振腔的頻率始終工作在所需的頻率上，并采用新的溫度控制系統(tǒng)來改善氫原子鐘的長期性能。

銣原子鐘是所有原子鐘中最簡單也最緊湊的一種，它使用裝有銣氣的玻璃腔，銣氣在周圍的微波頻率恰到好處時，就會按照銣原子的振蕩頻率改變其光吸收率。銣原子鐘溯源同步到GPS衛(wèi)星銫原子鐘上，輸出頻率幾乎沒有漂移，性能與銫原子鐘相近，而且不存在銫原子鐘那樣銫束管壽命短需要高成本更換的問題。

量子糾纏讓計時精度 有了大幅提升

那么原子鐘是如何誕生的呢?

1945年，美國哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授伊西多·拉比提出，可以用他在上世紀(jì)30年代開發(fā)的原子束磁共振技術(shù)制作鐘表;1949年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的前身美國國家標(biāo)準(zhǔn)局公布了世界上第一個使用氨分子作為振動源的原子鐘;1952年，NIST宣布了第一個使用銫原子作為振蕩源的原子鐘NBS-1。

1955年，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室制造了第一個用作校準(zhǔn)源的銫鐘。1967年，第十三屆度量衡大會基于銫原子的振蕩定義了1秒時間，從那時起全球計時系統(tǒng)拋棄了天文歷書時，進(jìn)入了原子時時代。1968年建成的NBS-4是當(dāng)時世界上最穩(wěn)定的銫原子鐘，并在上世紀(jì)90年代被用作NIST授時系統(tǒng)的一部分。

NIST最新的銫原子鐘NIST-F1能夠?qū)r間精度保持在每年約300億分之一秒，這是NIST建造的一系列銫鐘中的第8個，也是NIST第一個以“噴泉”原理工作的銫鐘。

通常原子鐘是用激光把數(shù)千個原子關(guān)在一個光學(xué)“陷阱”里，然后用另一種頻率與被測原子振動頻率相似的激光探測它們。

將原子以經(jīng)典物理學(xué)定律不可能的方式關(guān)聯(lián)在一起，使科學(xué)家能夠更準(zhǔn)確地測量原子的振蕩。麻省理工學(xué)院的研究小組認(rèn)為，如果原子被糾纏，它們的單個振蕩將在一個共同的頻率附近收緊，與不被糾纏相比，偏差較小。因此，原子鐘可以測量的平均振蕩將具有超出標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精度。

研究人員糾纏了約350個鐿原子，該元素每秒比常規(guī)原子鐘所使用的銫原子的振蕩頻率高10萬倍。該小組使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)冷卻原子并將其捕獲，困在由兩個反射鏡形成的光學(xué)腔中。然后，他們通過激光腔發(fā)出激光，使其在反射鏡之間反射，與原子反復(fù)相互作用并糾纏它們。

通過這種方式，研究人員將原子糾纏在一起，然后使用類似于現(xiàn)有原子鐘的另一激光來測量其振蕩的平均頻率。與不糾纏原子的類似實(shí)驗(yàn)相比，他們發(fā)現(xiàn)帶有糾纏原子的原子鐘達(dá)到了所需精度的4倍。

既有助于解碼宇宙又能服務(wù)生活

與生活中常見的鬧鐘、手表等計時器不同，我們在日常生活中很難一窺原子鐘的真面目。事實(shí)上，原子鐘既高大上又接地氣。說它高大上，是因?yàn)樗蛟S能幫助解碼宇宙中神秘莫測的信號;說它接地氣，是因?yàn)槿绻麤]有它的幫助，手機(jī)上的導(dǎo)航就會把你帶偏不止一點(diǎn)點(diǎn)。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是通過獲得衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的距離來計算的，而距離等于傳播時間乘以光速，因此精確的距離測量實(shí)際上就是精確的時間測量。沒有高精度的時頻，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)就不可能實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航與定位。所謂失之毫“秒”謬以千里，這正是原子鐘大顯身手的地方。

由于引力會影響時間的流逝，因此距離海平面更近的時鐘實(shí)際上比珠穆朗瑪峰上的時鐘慢一點(diǎn)，這意味著物理學(xué)家可以使用原子鐘來測定地球的形狀、大小和地球重力場等，這是一個被稱為大地測量學(xué)的科學(xué)領(lǐng)域。

為了提高測量精度，天文學(xué)家已開始將設(shè)施同步到單個精確的時間標(biāo)準(zhǔn)。這種同步會改善被稱為超長基線干涉法的天文成像技術(shù)，該方法涉及多個天文臺協(xié)同成像一個原本無法用單個望遠(yuǎn)鏡分辨的物體。例如，天文學(xué)家今年早些時候使用這種技術(shù)拍攝了黑洞的第一張圖像。更好的時間同步將可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的成像，因此也需要原子鐘來幫忙。

此外，如果原子鐘能夠更準(zhǔn)確地測量原子振蕩，那么它們將足夠靈敏以檢測諸如暗物質(zhì)和引力波之類的現(xiàn)象。有了更好的原子鐘，科學(xué)家還可以開始回答一些令人費(fèi)解的問題，例如重力對時間的流逝可能產(chǎn)生什么影響，以及時間本身是否隨著宇宙的老化而改變。

◎本報記者 馮衛(wèi)東

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