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什么是原子鐘
原子鐘，它最初本是由物理學(xué)家創(chuàng)造出來(lái)用于探索宇宙本質(zhì)的；他們從來(lái)沒(méi)有想過(guò)這項(xiàng)技術(shù)有朝一日竟能應(yīng)用于全球的導(dǎo)航系統(tǒng)上。
根據(jù)量子物理學(xué)的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周?chē)煌?A target=_blank>電子層的能量差，來(lái)吸收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續(xù)的。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。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說(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。因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來(lái)保持高度精確的時(shí)間。
30年代，拉比和他的學(xué)生們?cè)诟鐐惐葋喆髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在這里，他們?cè)谝揽窟@種原子計(jì)時(shí)器來(lái)制造時(shí)鐘方面邁出了有價(jià)值的第一步。在其研究過(guò)程中，拉比發(fā)明了一種被稱(chēng)為磁共振的技術(shù)。依靠這項(xiàng)技術(shù)，他便能夠測(cè)量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎(jiǎng)。同年，他還首先提出“要討論討論這樣一個(gè)想法”（他的學(xué)生這樣說(shuō)道），也就是這些共振頻率的準(zhǔn)確性如此之高，完全可以用來(lái)制作高精度的時(shí)鐘。他還特別提出要利用所謂原子的“超精細(xì)躍遷”的頻率。這種超精細(xì)躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細(xì)微能量差別的狀態(tài)之間的躍遷。
在這種時(shí)鐘里，一束處于某一特定“超精細(xì)狀態(tài)”的原子束穿過(guò)一個(gè)振蕩電磁場(chǎng)。當(dāng)原子的超精細(xì)躍遷頻率越接近磁場(chǎng)的振蕩頻率，原子從磁場(chǎng)中吸收的能量就越多，從而產(chǎn)生從原始超精細(xì)狀態(tài)到令一狀態(tài)的躍遷。通過(guò)一個(gè)反饋回路，人們能夠調(diào)整振蕩場(chǎng)的頻率直到所有的原子完成了躍遷。原子鐘就是利用振蕩場(chǎng)的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產(chǎn)生時(shí)間脈沖的節(jié)拍器。
人們?nèi)粘Ｉ钚枰罍?zhǔn)確的時(shí)間，生產(chǎn)、科研上更是如此。人們平時(shí)所用的鐘表，精度高的大約每年會(huì)有1分鐘的誤差，這對(duì)日常生活是沒(méi)有影響的，但在要求很高的生產(chǎn)、科研中就需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具。目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘，它是20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(Hactare)、銫(Seterium))、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬(wàn)年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障。
人類(lèi)原子鐘的發(fā)現(xiàn)史
直到本世紀(jì)20年代，最精確的時(shí)鐘還是依賴于鐘擺的有規(guī)則擺動(dòng)。取代它們的更為精確的時(shí)鐘是基于石英晶體有規(guī)則振動(dòng)而制造的，這種時(shí)鐘的誤差每天不大于千分之一秒。即使如此精確，但它仍不能滿足科學(xué)家們研究愛(ài)因斯坦引力論的需要。根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，在引力場(chǎng)內(nèi)，空間和時(shí)間都會(huì)彎曲。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個(gè)時(shí)鐘，比海平面處完全相同的一個(gè)時(shí)鐘平均每天快三千萬(wàn)分之一秒。所以精確測(cè)定時(shí)間的唯一辦法只能是通過(guò)原子本身的微小振動(dòng)來(lái)控制計(jì)時(shí)鐘。
NIST F-1原子鐘，它由170個(gè)元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位于中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動(dòng)，發(fā)出極為規(guī)則的“信號(hào)”。
本世紀(jì)30年代，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的拉比和他的學(xué)生在研究原子及其原子核的基本性質(zhì)時(shí)所獲得的成果，使基于上述原子計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘研制取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在拉比設(shè)想的時(shí)鐘里，處于某一特定的超精細(xì)態(tài)的一束原子穿過(guò)一個(gè)振動(dòng)電磁場(chǎng)，場(chǎng)的振動(dòng)頻率與原子超精細(xì)躍遷頻率越接近，原子從電磁場(chǎng)吸收的能量就會(huì)越多，并因此而經(jīng)歷從原先的超精細(xì)態(tài)到另一態(tài)的躍遷。反饋回路可調(diào)節(jié)振動(dòng)場(chǎng)的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動(dòng)場(chǎng)的頻率作為節(jié)拍器來(lái)產(chǎn)生時(shí)間脈沖，目前，振動(dòng)場(chǎng)頻率與原子共振頻率已達(dá)到完全同步的水平。1949年，拉比的學(xué)生拉姆齊提出，使原子兩次穿過(guò)振動(dòng)電磁場(chǎng)，其結(jié)果可使時(shí)鐘更加精確。1989年，拉姆齊因此而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
二戰(zhàn)后，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室都宣布，要以原子共振研究為基礎(chǔ)來(lái)確定原子時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。世界上第一個(gè)原子鐘是由美國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的埃森和帕里合作建造完成的，但這個(gè)鐘需要一個(gè)房間的設(shè)備，所以實(shí)用性不強(qiáng)。另一名科學(xué)家扎卡來(lái)亞斯使得原子鐘成為一個(gè)更為實(shí)用的儀器。扎卡來(lái)亞斯計(jì)劃建造一個(gè)被他稱(chēng)為原子噴泉的、充滿了幻想的原子鐘，這種原子鐘非常精確，足以研究愛(ài)因斯坦預(yù)言的引力對(duì)于時(shí)間的作用。研制過(guò)程中，扎卡來(lái)亞斯推出了一種小型的原子鐘，可以從一個(gè)實(shí)驗(yàn)室方便地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎(chǔ)的商用原子鐘。兩年后該公司生產(chǎn)出了第一個(gè)原子鐘，并在四年內(nèi)售出50個(gè)，如今用于GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的后代。
到了1967年，關(guān)于原子鐘的研究如此富有成效，以至于人們依據(jù)銫原子的振動(dòng)而對(duì)秒做出了重新定義。如今的原子鐘極其精確，其誤差為10萬(wàn)年內(nèi)不大于1秒。歷經(jīng)數(shù)年的努力，三種原子鐘――銫原子鐘、氫微波激射器和銣原子鐘（它們的基本原理相同，區(qū)別在于元素的使用及能量變化的觀測(cè)手段），都已成功的應(yīng)用于太空、衛(wèi)星以及地面控制。現(xiàn)今為止，在這三類(lèi)中最精確的原子鐘是銫原子鐘，GPS衛(wèi)星系統(tǒng)最終采用的就是銫原子鐘。
今天，名為NIST F-1的原子鐘是世界上最精確的鐘表，但它并不能直接顯示鐘點(diǎn)，它的任務(wù)是提供“秒”這個(gè)時(shí)間單位的準(zhǔn)確計(jì)量。這一計(jì)時(shí)裝置安放在美國(guó)科羅拉多州博爾德的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）物理實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間和頻率部?jī)?nèi)。1999年才建成的這座鐘價(jià)值約為65萬(wàn)美元，可謂身價(jià)不菲。在2000萬(wàn)年內(nèi)，它既不會(huì)少1秒也不會(huì)多1秒，其精度之高由此可見(jiàn)一斑。這架昂貴的時(shí)鐘既沒(méi)有指針也沒(méi)有齒輪，只有激光束、鏡子和銫原子氣。
銫原子鐘的工作原理
每一個(gè)原子都有自己的特征振動(dòng)頻率。人們最熟悉的振動(dòng)頻率現(xiàn)象就是當(dāng)食鹽被噴灑到火焰上時(shí)食鹽中的元素鈉所發(fā)出的桔紅色的光。一個(gè)原子具有多種振動(dòng)頻率，一些位于無(wú)線電波波段，一些位于可見(jiàn)光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。
將銫原子共振子置于原子鐘內(nèi)，需要測(cè)量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一信號(hào)處于無(wú)線電的微波頻譜范圍內(nèi)，并恰巧與廣播衛(wèi)星的發(fā)射頻率相似，因此工程師們對(duì)制造這一頻譜的儀器十分在行。
為了制造原子鐘，銫原子會(huì)被加熱至汽化，并通過(guò)一個(gè)真空管。在這一過(guò)程中，首先銫原子氣要通過(guò)一個(gè)用來(lái)選擇合適的能量狀態(tài)原子的磁場(chǎng)，然后通過(guò)一個(gè)強(qiáng)烈的微波場(chǎng)。微波能量的頻率在一個(gè)很窄的頻率范圍內(nèi)震蕩，以使得在每一個(gè)循環(huán)中一些頻率點(diǎn)可以達(dá)到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產(chǎn)生的微波的頻率范圍已經(jīng)接近于這一精確頻率。當(dāng)一個(gè)銫原子接收到正確頻率的微波能量時(shí)，能量狀態(tài)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。
在更遠(yuǎn)的真空管的盡頭，另一個(gè)磁場(chǎng)將那些由于微波場(chǎng)在正確的頻率上而已經(jīng)改變能量狀態(tài)的銫原子分離出來(lái)。在真空管盡頭的探測(cè)器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，并在處在正確頻率的微波場(chǎng)處呈現(xiàn)峰值。這一峰值被用來(lái)對(duì)產(chǎn)生的晶體振蕩器作微小的修正，并使得微波場(chǎng)正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見(jiàn)的現(xiàn)實(shí)世界需要的每秒一個(gè)脈沖。
銫原子鐘的工作過(guò)程
銫原子鐘又被人們形象的稱(chēng)作“噴泉鐘”，因?yàn)殇C原子鐘的工作過(guò)程是銫原子象噴泉一樣的“升降”。這一運(yùn)動(dòng)使得頻率的計(jì)算更加精確。圖1詳細(xì)的描繪了銫原子鐘工作的整個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可以分割為四個(gè)階段：
第一階段：
由銫原子組成的氣體，被引入到時(shí)鐘的真空室中，用6束相互垂直的紅外線激光（黃線）照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時(shí)激光減慢了原子的運(yùn)動(dòng)速度并將其冷卻到接近絕對(duì)零度。
第二階段：
兩束垂直的激光輕輕地將這個(gè)銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運(yùn)動(dòng)，然后關(guān)閉所有的激光器。這個(gè)很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高，穿過(guò)一個(gè)充滿微波的微波腔，這時(shí)銫原子從微波中吸收了足夠能量。銫原子氣被引入到真空室中后，氣體的溫度降低，接近于絕對(duì)零度，并且呈現(xiàn)圓球狀氣體云。 2束激光將“氣球”推向上方 在重力的作用下，氣球開(kāi)始向下墜落，并再次穿過(guò)微波腔。同時(shí)微波部分地改變了銫原子的原子狀態(tài)。
第三階段：
在地心引力的作用下，銫原子氣球開(kāi)始向下落，再次穿過(guò)微波腔，并將所吸收的能量全部釋放出來(lái)。當(dāng)在微波腔中發(fā)生狀態(tài)改變的銫原子與激光束再次發(fā)生作用時(shí)就會(huì)放射出光能。同時(shí)，一個(gè)探測(cè)器（右）對(duì)這一熒光柱進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)過(guò)程被多次重復(fù)，直到達(dá)到出現(xiàn)最大數(shù)目的銫原子熒光柱。這一點(diǎn)定義了用來(lái)確定秒的銫原子的天然共振頻率。
第四階段：
在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測(cè)器將對(duì)輻射出的熒光的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。
上述過(guò)程將多次重復(fù)進(jìn)行，而每一次微波腔中的頻率都不相同。由此可以得到一個(gè)確定頻率的微波，使大部分銫原子的能量狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變。這個(gè)頻率就是銫原子的天然共振頻率，或確定秒長(zhǎng)的頻率。
更精確的全光學(xué)原子鐘
美國(guó)《科學(xué)》雜志于2001年7月12日公布的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，美國(guó)政府科學(xué)家已經(jīng)將先進(jìn)的激光技術(shù)和單一的汞原子相結(jié)合而研制出了世界上最精確的時(shí)鐘。位于美國(guó)科羅拉多州博爾德城的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的科學(xué)家研制出了這種新型的以高頻不可見(jiàn)光波和非微波輻射為基礎(chǔ)的原子鐘。由于這種時(shí)鐘的研制主要是依靠激光技術(shù)，因而它被命名為“全光學(xué)原子鐘”。
我們知道原子時(shí)鐘的“滴答”來(lái)自于原子的轉(zhuǎn)變，在當(dāng)前的原子鐘中，銫原子是在微波頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變的，而光學(xué)轉(zhuǎn)變發(fā)生在比微波轉(zhuǎn)變高得多的頻率范圍，因此它能夠提供一個(gè)更精細(xì)的時(shí)間尺度，也就可以更精確地計(jì)時(shí)。這種新研制出來(lái)的全光學(xué)原子時(shí)鐘的指針在1秒鐘內(nèi)走動(dòng)時(shí)發(fā)出的“滴嗒”聲為一千的五次冪(在1后加15個(gè)零所得的數(shù))，是現(xiàn)在最高級(jí)的時(shí)鐘――微波銫原子鐘的十萬(wàn)倍。所以，用它來(lái)測(cè)量時(shí)間將更精確得多。
所有時(shí)鐘的構(gòu)造都包括兩大部分：即能夠按照固定周期走動(dòng)的裝置，如鐘擺；還有一些計(jì)算、累加和顯示時(shí)間流失的裝置，如驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘指針的齒輪。在大約50年前首次研制出的原子鐘增加了第三部分，即以特定的頻率對(duì)光和電磁輻射作出反應(yīng)的原子，這些原子用來(lái)控制“鐘擺”。目前最高級(jí)的原子鐘，就是利用100萬(wàn)個(gè)液態(tài)金屬銫原子對(duì)微波輻射做出反應(yīng)來(lái)控制時(shí)鐘指針的走動(dòng)。這樣的時(shí)鐘指針每秒鐘大約走動(dòng)100億次，時(shí)鐘指針走動(dòng)得越快，時(shí)鐘計(jì)算的時(shí)間也就越精確。但是銫原子鐘使用的高速電子學(xué)技術(shù)并不能計(jì)算更多的時(shí)鐘指針走動(dòng)次數(shù)。因而，美國(guó)科學(xué)家在研究新型的全光學(xué)原子鐘時(shí)使用的不是銫原子，而是單個(gè)冷卻的液態(tài)汞離子（即失去一個(gè)電子的汞原子），并把它與功能相當(dāng)于鐘擺的飛秒（一千萬(wàn)億分之一秒）激光振蕩器相連，時(shí)鐘內(nèi)部配備了光纖，光纖可將光學(xué)頻率分解成計(jì)數(shù)器可以記錄的微波頻率脈沖。
要制造出這種原子鐘需要有能夠捕捉相應(yīng)離子，并將捕捉到的離子足夠靜止來(lái)保證準(zhǔn)確的讀取數(shù)據(jù)的技術(shù)，同時(shí)要能保證在如此高的頻率下來(lái)準(zhǔn)確的計(jì)算“滴答”的次數(shù)。這種時(shí)鐘的質(zhì)量依賴于它的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，也就是說(shuō)，這個(gè)時(shí)鐘要提供一個(gè)持續(xù)不變的輸出頻率，并使它的測(cè)量頻率與原子的共振頻率相一致。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的美國(guó)物理學(xué)家斯科特·迪達(dá)姆斯（S.A. Diddams）說(shuō)：“我們首次展示了這種新一代原子鐘的原理，這種時(shí)鐘可能比目前的微波銫原子鐘精確100到1000倍。”它可以計(jì)算有史以來(lái)最短的時(shí)間間隔。科學(xué)家們預(yù)言這種時(shí)鐘可以提高航空技術(shù)、通信技術(shù)，如移動(dòng)電話和光纖通信技術(shù)等的應(yīng)用水平，同時(shí)可用于調(diào)節(jié)衛(wèi)星的精確軌道、外層空間的航空和聯(lián)接太空船等。
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