出品：科普中國

制作：徐琴芳（中國科學院國家授時中心）

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

時間，是表征物質運動的最基本物理量，它以完美的線性和連續性展示着客觀世界的變化。鐘，是人類為了精準度量時間而發明的儀器，從日晷、沙漏、水鐘、機械鐘、石英鐘、再到原子鐘，鐘的發展，體現着人類在探索自然奧妙過程中所展現出來的超高智慧。

無論鐘以何種形态呈現，它都是以物體在特定條件下的振蕩頻率來刻畫時間的長短。例如單擺，如果擺動一次是一秒，擺動100次就是100秒。

那麼，迄今為止人們都用過什麼樣的鐘表？它們的準确度又是怎樣的？

人們發現當石英晶體受到電池的電力影響時，就會産生規律的振動，每振動2.3萬次，就會是1秒，這就有了石英鐘。目前，最好的石英鐘，每天的計時能精準到十萬分之一秒，也就是經過差不多270年才差1秒。

由于人們總想把時間計得更準，如何将振蕩頻率記得更準，以及如何将1秒劃分得更精細，成為了時鐘技術的發展目标。于是具有更高精度的原子鐘開始出現。

量子物理發現，原子内部存在着一些分立的能态，當原子中電子從一個能态“掉落”到低能态時，它便會釋放電磁波。這種電磁波的特征頻率對應了分立能态之間的能量差，理想情況下是固定不變的，又稱為原子的固有共振頻率。因此，科學家們利用原子中電子能級躍遷時的共振頻率作為精确的時間标準，這就是所謂的原子鐘。原子鐘說到底就是利用原子中電子軌道做的原子單擺。

在1963年召開的第13屆國際計量大會上，科學家們給1秒鐘時間的長短下了定義，即铯原子Cs-133基态的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩9192631770周所持續的時間為1秒。這個标準一直沿用至今。目前铯原子鐘的計時精度已達到3千萬年不差1秒，是國際計量局用以維持标準時間的主要基準鐘。

△圖1 原子能級結構圖

圖片來源：作者提供

正所謂，隻有安靜下來才能看見真的自己，同樣，隻有安靜的原子才能被探測到真的鐘躍遷。常溫狀态下的原子做着無規熱運動，怎麼樣抓住原子，取出精準的鐘躍遷頻率，成為精密測量和控制的最大障礙。如何将不斷運動的原子變慢，甚至把速度降到零，成了一個長久困擾科學家們的問題。原子的速度降到零，就意味着把原子的溫度降到絕對零度（約等于-273.15℃）。對人類來說，0攝氏度的冰已經夠冷了，但是在原子看來，這還是273.15 K的高溫。因此，給原子降溫可不是一件容易的事。

1975年，德國物理學家漢斯提出了一個設想——用激光降低原子的動能，從而給原子制冷。最先驗證漢斯設想的，是美國物理學家朱棣文。他利用激光冷卻技術，實現了人類第一次對微觀粒子的操控。1997年，這位華裔科學家也因“開創了用激光冷卻和捕獲原子的方法”獲得諾貝爾物理學獎。

我們知道激光是一種能量很強的光，具有熱效應，強激光可以擊穿金屬，可以充當武器，但現在卻用激光冷卻原子，這，是怎麼做到的呢？

舉個例子，這裡有一輛自由滑行的小車，為了降低小車的速度，我們可以不斷地向小車扔石頭，小車受到石頭的撞擊後，會把石頭向四面八方彈出去，在受到許許多多石頭的撞擊之後，小車速度就減慢了。

△圖2 小車受到石頭撞擊後減速示意圖

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同理，在原子鐘系統中，我們朝着原子運動相反的方向射入一束激光，原子吸收激光中的光子，同時又随機從各個方向吐出這些光子，每吸收一個光子，原子的速度就會減慢一點。當然，這個過程非常快，每個原子每秒能夠吞吐上億個光子，所以原子能在很短的時間内被減速下來，這便是激光冷卻原子的基本原理。

雖然激光冷卻原理簡單，但實驗上的實現卻存在諸多困難：比如，在減速過程中，原子實際上是根據自身能級結構有選擇性地吸收确定頻率的光子，但是，随着原子運動速度不斷減小，根據多普勒原理，其感受到的激光頻率也會相應變化，因此，我們需要連續補償由多普勒效應造成的頻移，以防原子因脫離共振而停止減速。

具體而言，當對某種原子進行冷卻時，迎面發射一束頻率比該原子固有頻率稍低的激光，對于這些原子而言，這束激光的頻率便會升高，高到剛好等于該原子的固有頻率時，原子便能得到減速。

△圖3 熱原子在塞曼減速器中減速示意圖

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由于铯原子的躍遷頻率在微波波段，計時精度最終受限于振蕩頻率，而工作在光學波段的光鐘具有更好的穩定度和準确度潛力，因此國際上利用冷原子技術制造了最精确的原子鐘——锶原子光鐘，其精度已經達到160億年才誤差1秒。

中國科學院國家授時中心的锶原子光鐘實驗小組從2008年開始開展了對锶原子光鐘的研究。這裡的科研人員每天特殊着裝，在超淨實驗室裡擺弄這些“看不見摸不着”的原子。

啟動激光器後，科研人員緊盯着真空腔裡的變化。不到1秒鐘的時間，在真空腔中心閃現出一個直徑5毫米的藍色小球。它就是激光冷卻囚禁住的原子，這團發着光的小球裡大約彙聚了1億個锶原子。

△圖4激光冷卻俘獲的锶冷原子團

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在锶原子光鐘的具體實驗中，真空中的一束锶原子先是被迎面而來的激光束第一次減速，然後再被引入6束激光和磁場構建的一個阱——磁光阱。在磁光阱中的锶原子受到了兩種力，一種力是把原子拉向對稱中心以免逃走，另外一種力是粘滞力，使原子運動得更慢。

經過這兩番折騰，狂熱的原子這個時候已經筋疲力盡了。但此時的原子還具有很高的密度，且受重力影響，使得他們并非處于一個“無擾”的狀态。因此，我們用一個叫“魔術波長”的激光，構建一個駐波場，這些駐波等同于一系列周期排布的小格子，把原子一個個囚禁在裡面，從而使得冷原子之間處于“互不幹擾”的狀态。

這樣的小格子有一個好聽的名字——光晶格。被光晶格囚禁住的冷原子具有更精确的原子能級結構和更窄的躍遷光譜，進一步提高了光鐘的計時精度。當然這個格子很小，隻有那個魔術波長光的波長那麼大，也就是八百多納米。所謂魔術波長，是因為這個波長的光不會影響鐘躍遷的頻率，而其他波長的光都會有較大影響，是不是真的有那麼點魔術的意味？

△圖5磁光阱和光晶格

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我們知道，光鐘的鐘躍遷頻率很高，每秒鐘振蕩就高達幾百萬億次。暈，這能數得過來嗎？數不過來的話又有什麼用啊？

不過，這個問題難不倒聰明的科學家。1999年，德國科學家漢斯提出并發明了一種用來量光學頻率的尺子，光譜看起來神似一把梳子，美其名曰“光梳”。這把梳子的每一個齒，都是一個頻率确定的激光。利用這把梳子還能把頻率極高的鐘躍遷探測激光的穩定性傳遞到射頻段。現代的電子學設備，能很精準地數出射頻的頻率，從而使得锶原子光鐘的極高穩定性能得到更廣泛的應用。科學家漢斯也因此獲得2005年諾貝爾物理學獎。

在日常生活中，時間精确到秒足以滿足我們所需，但是對于其他方面，比如體育競技賽事中百分之一秒的差距就決定勝負，炮彈的發射在千分之一秒内發生的，時間測量要精确到0.001秒，雷達技術甚至需要精确到百萬分之一秒。

在人類探索更深層次的自然規律、進行基礎科學研究的過程中，則更需要高精度的時間保障。如裡德堡常數的測量、精細結構常數α的穩定性測量、朗德因子g的測量、引力紅移的測量、引力波探測等，其精度都直接取決于時間頻率的測量精度。愛因斯坦的相對論，也是在有了原子鐘後才被驗證是正确的。

目前，時間标準已經被廣泛地應用到北鬥導航系統、GPS導航系統、天文導航、高速數字通信等領域。高精度的原子鐘為國防，軍事，乃至國際安全提供了高精度的時間保障。

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