全光学原子钟

六、光原子钟

说起来，原子钟是最不像时钟的钟。在NIST的实验室中，为美国提供标准时间的NIST-F1看上去就是一大堆让人摸不到头脑的元件，没有时针分针秒针，也没有钟点显示。其实，原子钟的任务，只是提供“秒”这个时间单位的精确计量。

一秒钟如何确定下来？这首先要从时间的概念说起。当我们提到时间时，有时指的是某一时刻，是一个点，有时指的则是两个时刻之间的间隔，是一条线段。只有将这两者结合起来，才能够构成对时间的正确认识。很早以前，科学家们就意识到精确界定秒的长度的重要性了。17世纪，科学家确定了地球自转一周、地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。由此，法国科学院于1820年提出，以一个平太阳日的1/86400作为一个平太阳秒，成为世界时秒长。但是，地球的自转要受季节影响，且呈现逐年减缓的趋势，世界时秒长的精确程度对于飞速发展的空间物理、军事和航天等领域来说就显得不够。量子物理的出现与发展，一方面对时间计量的精确度不断提出更苛刻要求，另一方面，却也指出了解决之道。

从原子钟诞生之日起，各国科学家就尝试过使用各种物质原子来制造它，先后出现有氢原子钟和铷原子钟，但它们的地位都远远无法同铯原子钟相比。尽管氢原子钟和铷原子钟的造价比铯原子钟低廉（目前位于NIST实验室中的NIST-F1原子钟价值65万美元），而且体积较小，但精确度不够高。因此，在1967年召开的国际计量大会（General Conference on Weights and Measures，简称CGPM）上，科学家们根据铯原子的振荡频率定义了秒的长度，那就是：铯133原子基态的两个超精细能量级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒。自此，全世界的计时标准不再建立于天文学的基础上，而这一标准也一直被沿用至今。

但是，伴随着物理学家在玻色-爱因斯坦凝聚方面取得的突破，以及原子喷泉技术的进一步完善，铯原子的江湖霸主地位也遭到挑战。2001年，NIST最新制造的光学原子钟，就不是以铯原子，而是以一个冷却的汞离子（去掉一个电子的汞原子）的光频为基础设计的，汞离子的光频传到一个激光振荡器上，这个振荡器的作用像传统时钟的钟摆产生“滴答”动作一样。新的光原子钟每秒产生的“滴答”次数是1．064×10²⁴，它的振荡频率比当今最准确的原子钟、每秒钟振荡90亿周的NIST-F1的高10万倍。研究人员不得不借助于高速激光与光缆，以便“数”出这些“滴答”次数以达到计时的目的。主持这台光学原子钟制造工作的NIST物理学家司各特·迪达姆斯（Scott Diddams）在接受《科学》杂志采访时说，“它具有比当今最好的时钟准确1000倍的潜力”。“如果与现在所采用的计时仪器相比较，采用光学原子钟进行精密计时就如同原来通过能放大的玻璃观测一个生物样本，而现在则采用了显微镜观测技术一样。两者效果的差距就是这么大。”

    2005年，华东师范大学物理系终身教授马龙生先生参与研究的“光梳”技术，获得诺贝尔物理学奖。“光梳”拥有一系列频率均匀分布的频谱，这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺子上的刻度。“光梳”可以用来测定未知频谱的具体频率，其精确度目前已经达到小数点后15位。2006年10月，东京大学研究生院工学系研究科科学家香取秀俊宣布，他以“光梳”技术为基础主持研究的“光晶格钟”，理论上每天仅误差10^－18秒，要比现在的铯原子钟精确1000倍。除用来测量时间外，由于其对重力的影响极其敏感，还可以用于验证爱因斯坦的广义相对论。该钟已作为新一代原子钟的候选被推荐给国际度量衡委员会。

科学家对精确的追求随着技术的进步和实验工艺的改进而不断提高。在平常人看来，让众多科学家倾毕生之力追求的从100万年差1秒到10亿年差1秒的飞跃可能毫无意义，但事实并非如此。即使是从最功利的角度来看，原子钟技术给人类带来的益处也是无处不在。从GPS卫星定位系统，到无线通讯和光纤数据传输技术，它们的背后，都响着原子钟的“嘀哒”声。科学家认为，新型光原子钟能使人们更精细地理解物质世界的时间，对基本物理常数作更精确地计量。由于准确计时对于高速数据传输、同步电视发送、银行转账结算、发送电子邮件、卫星轨道的精确控制、深太空导航以及航天器的对接等极为重要，新型光原子钟的应用将对上述领域产生重大影响。

　　或许“最精确”是个一出现就立刻成为过去时的概念，或许它是一个永远都无法企及的将来时，但无论如何，在从精确到更精确的现在时中，人类在进步。(完)