根據(jù)原子物理學(xué)的基本原理，當(dāng)原子從一個(gè)能量態(tài)躍遷至低的能量態(tài)時(shí)，它便會(huì)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(lái)保持高度精確的時(shí)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(shí)間脈沖的節(jié)拍器。
2020年底，《自然》雜志刊載了一篇來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員的成果報(bào)道，這些研究人員利用量子糾纏現(xiàn)象新設(shè)計(jì)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(shí)間精度保持在十分之一秒之內(nèi)。而在同樣的時(shí)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(shí)到時(shí)間的流逝，就開(kāi)始利用周期性現(xiàn)象進(jìn)行追蹤。在古代，人們是觀察太陽(yáng)、月亮在天空中的運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷時(shí)間的運(yùn)行，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類測(cè)量時(shí)間的手段也越來(lái)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(lái)又出現(xiàn)利用石英周期振動(dòng)來(lái)計(jì)時(shí)的鐘表。到后來(lái)，原子鐘的出現(xiàn)成為人類計(jì)時(shí)史上的一次重大革命，它使得計(jì)時(shí)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(shí)代進(jìn)入“原子秒”時(shí)代，開(kāi)啟了人類時(shí)間測(cè)量的嶄新階段。人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量和追蹤正在越來(lái)越接近宇宙的本源。
通過(guò)跟蹤原子振蕩來(lái)測(cè)量時(shí)間
生活中常以分秒來(lái)計(jì)時(shí)，在當(dāng)今太空探測(cè)、通信導(dǎo)航、天文觀測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，越來(lái)越需要更精密的時(shí)間測(cè)量。時(shí)間常常被準(zhǔn)確到萬(wàn)分之一秒，甚至百萬(wàn)分之一秒。為了達(dá)到要求，許多精密的計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)儀器，采用了最準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量和頻率標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)這一標(biāo)準(zhǔn)也被認(rèn)為是國(guó)際時(shí)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(hào)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(guó)際上僅少數(shù)國(guó)家具有獨(dú)立研制能力。
圖片來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)
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(lái)吸收或釋放電磁能量的。當(dāng)原子從一個(gè)“能量態(tài)”躍遷至更低的“能量態(tài)”時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波。這種不連續(xù)的電磁波的頻率，就是人們所說(shuō)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(lái)測(cè)量原子的共振頻率，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)時(shí)。
如果要追求近乎完美的時(shí)間測(cè)量，原子鐘必須去跟蹤單個(gè)原子的振蕩。但是按照量子力學(xué)的規(guī)律：當(dāng)被測(cè)量時(shí)，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(duì)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(jì)用來(lái)測(cè)量由成千上萬(wàn)個(gè)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(jiàn)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(duì)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(gè)價(jià)電子，理論模型相對(duì)多價(jià)電子體系較為簡(jiǎn)單?？茖W(xué)家在長(zhǎng)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(wàn)年1秒的水平。
據(jù)了解，銫原子鐘使用銫原子束，通過(guò)磁場(chǎng)將能級(jí)不同的銫原子分離該時(shí)鐘將高穩(wěn)定性銫振蕩器與GPS高精度授時(shí)、測(cè)頻及時(shí)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(hào)上，提高了頻率信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，能夠提供銫鐘量級(jí)的高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，是通信廣電等部門替代銫鐘的高性價(jià)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(jí)，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(huì)引起其輸出頻率的變化，從而導(dǎo)致氫原子鐘長(zhǎng)期性能變差，為了減小這些影響，可借助自動(dòng)調(diào)諧器來(lái)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(lái)改善氫原子鐘的長(zhǎng)期性能。
銣原子鐘是所有原子鐘中最簡(jiǎn)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(shí)，就會(huì)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(méi)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(wèn)題。
量子糾纏讓計(jì)時(shí)精度 有了大幅提升
那么原子鐘是如何誕生的呢？
1945年，美國(guó)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(kāi)發(fā)的原子束磁共振技術(shù)制作鐘表；1949年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的前身美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局公布了世界上第一個(gè)使用氨分子作為振動(dòng)源的原子鐘；1952年，NIST宣布了第一個(gè)使用銫原子作為振蕩源的原子鐘NBS-1。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
1955年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室制造了第一個(gè)用作校準(zhǔn)源的銫鐘。1967年，第十三屆度量衡大會(huì)基于銫原子的振蕩定義了1秒時(shí)間，從那時(shí)起全球計(jì)時(shí)系統(tǒng)拋棄了天文歷書(shū)時(shí)，進(jìn)入了原子時(shí)時(shí)代。1968年建成的NBS-4是當(dāng)時(shí)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(shí)系統(tǒng)的一部分。
NIST最新的銫原子鐘NIST-F1能夠?qū)r(shí)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(gè)，也是NIST第一個(gè)以“噴泉”原理工作的銫鐘。
通常原子鐘是用激光把數(shù)千個(gè)原子關(guān)在一個(gè)光學(xué)“陷阱”里，然后用另一種頻率與被測(cè)原子振動(dòng)頻率相似的激光探測(cè)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(cè)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(gè)振蕩將在一個(gè)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(cè)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(gè)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(wàn)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(gè)反射鏡形成的光學(xué)腔中。然后，他們通過(guò)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(guò)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(lái)測(cè)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(jiàn)的鬧鐘、手表等計(jì)時(shí)器不同，我們?cè)谌粘Ｉ钪泻茈y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(shuō)它高大上，是因?yàn)樗蛟S能幫助解碼宇宙中神秘莫測(cè)的信號(hào)；說(shuō)它接地氣，是因?yàn)槿绻麤](méi)有它的幫助，手機(jī)上的導(dǎo)航就會(huì)把你帶偏不止一點(diǎn)點(diǎn)。
衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是通過(guò)獲得衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的距離來(lái)計(jì)算的，而距離等于傳播時(shí)間乘以光速，因此精確的距離測(cè)量實(shí)際上就是精確的時(shí)間測(cè)量。沒(méi)有高精度的時(shí)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(huì)影響時(shí)間的流逝，因此距離海平面更近的時(shí)鐘實(shí)際上比珠穆朗瑪峰上的時(shí)鐘慢一點(diǎn)，這意味著物理學(xué)家可以使用原子鐘來(lái)測(cè)定地球的形狀、大小和地球重力場(chǎng)等，這是一個(gè)被稱為大地測(cè)量學(xué)的科學(xué)領(lǐng)域。
為了提高測(cè)量精度，天文學(xué)家已開(kāi)始將設(shè)施同步到單個(gè)精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。這種同步會(huì)改善被稱為超長(zhǎng)基線干涉法的天文成像技術(shù)，該方法涉及多個(gè)天文臺(tái)協(xié)同成像一個(gè)原本無(wú)法用單個(gè)望遠(yuǎn)鏡分辨的物體。例如，天文學(xué)家今年早些時(shí)候使用這種技術(shù)拍攝了黑洞的第一張圖像。更好的時(shí)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(lái)幫忙。
此外，如果原子鐘能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量原子振蕩，那么它們將足夠靈敏以檢測(cè)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(kāi)始回答一些令人費(fèi)解的問(wèn)題，例如重力對(duì)時(shí)間的流逝可能產(chǎn)生什么影響，以及時(shí)間本身是否隨著宇宙的老化而改變。