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【科普中国】未来时间之源——光钟
文章来源: 科普中国 发布时间:2016-02-23 字体大小:【

  http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201602/201602/t20160213_19635.html

   星空浩瀚,地球章动,四季更替,草木枯荣。从人类意识觉醒开始,“时间”便如影随形。经过几千年的探索,人们发现,自然界中某些天体具有不变周期的运动,时间在自然界中以周期运动展现。于是人们开始以自然界周期性运动作为时间的度量,这是时间最早的概念。我们赖以生存的地球,其周期运动产生了人类和地球上其它生物最能感知的时间量度。地球自转,让人感知昼夜,以此作息;地球公转,一次一年,沉积在时光中。  

  钟,是人类为了精准度量时间而发明的仪器。

  随着社会的发展,人类活动对时间度量的精准性要求越来越高。从太阳升落、日晷、沙漏,到水钟、机械钟、石英钟,再到原子钟。钟的发展,体现着人类在探索自然奥妙过程中所展现出来的超高智慧。目前,世界上最精准的原子钟——锶原子光晶格钟,其稳定度已达10-18次量级,这相当于160亿年不差一秒。

  那么如此高精度的原子钟是如何实现的?又会对我们认识宇宙及社会发展有何影响?  

   

  千百年来,地球的自转周期和公转周期一直起着“钟”的作用,但是它们的周期太长,不便于日常应用。为了满足测量较短时间间隔的需要,人们开始采用人为的周期运动,如单摆和电磁振荡的周期作为时间计量标准。之后,随着科技文明的发展,人们越来越倾向于使用周期更短的时间标准。由于时间与频率互为倒数的关系,对于短周期运动而言,采用频率描述无疑会是更为便捷的方法。

   量子物理发现,原子内部存在着一些分立的能量状态,这些能量状态在一定频率的电磁波作用下,会产生跃迁。量子物理还发现,电磁波的能量也是不连续的,而是一份一份的携带在每一个光子中,每一个光子的能量值严格取决于电磁波的频率。不同的跃迁对频率的匹配要求不一样,当光子的能量与原子内部两个状态的能量差相等时,也就是所谓的共振的时候,跃迁发生的几率最大;当光子的能量与原子内部两个状态的能量差存在一定的差距时,跃迁的几率就会下降。某些原子内部存在对电磁波频率匹配要求很高的跃迁,利用这种跃迁来校准电磁波的频率,使得电磁波的频率时钟与跃迁频率一致,就是所谓的原子钟。   

   下面来看看,世界上最精准的原子钟——锶原子光钟,是如何工作的。

  为了探测到锶原子内部频率稳定性极高的跃迁,即所谓的钟跃迁,需要使原子处于非常“冷”的状态,即要让锶原子的运动速度要达到厘米每秒的量级,这速度貌似比蜗牛能快点。当然,要达到这么慢速度,当然不是靠放入冰箱降温那样的办法来实现。科学家发明了一种叫激光冷却的办法,能使原子达到蜗牛般的速度。具体做法貌似也有那么一点点复杂。

  如何“冷静”燥热的锶原子? 

  首先,我们要为锶原子制造一个真空环境,以免其他原子来捣乱。在这个真空环境中,锶原子在一个高温炉中被加热到500摄氏度左右,这时候一部分原子会被汽化,速度在四百到五百米每秒左右,这相当于子弹的速度!  

   让这些汽化的原子,沿着特定的方向喷出,形成原子束,而后穿过一个塔状线圈做成的东西,叫塞曼减速器,它的中心轴线是一个梯度磁场。同时在与原子束相反的方向射入一束激光,原子在经过塞曼减速器的同时,疯狂地吸收来自迎面射来的光子,同时又随机向各个方向吐出这些光子,每吸收一个光子,原子的速度就会减慢一点。由于原子在不断的吸收和吐出光子,所以它从来不会被撑死,而且速度那是相当的快,每秒能吃上亿个光子,所以原子能在很短的时间内被减速下来。  

 

  经过塞曼减速器之后,原子的速度降到了大概五十米每秒,时速约为一百八十公里,貌似赶上动车的速度了,这不行啊,还是太快了,而且原子还到处跑。

  因此,在塞曼减速器之后,科学家又设计了一个井,而且是里面满是糖浆的井,原子只要跳进了这个井,就会被囚禁住,而且会被巨大粘力困得简直无法动弹。慢着,这井到底是怎么回事?这井当然不是你想的那种井了,它由两个通电线圈组成,这两个线圈通的电流等大但方向相反,于是在这两个线圈的对称中心会形成一个各个方向基本对称的梯度磁场,然后再用六束激光指向那个对称中心,这个时候原子受到了两种力,一种力是把原子拉向那个对称中心以免逃走,另外一种力是粘滞力,使原子运动得更慢。科学家把这种井叫“磁光阱”。

  不对,“阱”是不是写错了?没错!重点不是这个,重点在于顽强的锶原子在这个井(阱)里还没有安静下来,还能以一厘米每秒的速度在运动。不过不要紧,经过这两番折腾,疯狂的原子这个时候已经筋疲力尽了。此时的原子团具有很高的密度,加上重力的影响,原子团并非处于一个“无扰”的状态,因此需要把它局限在一个小小的地方不随意走动,是不是有那么点过分。  

   接着,我们用一个叫“魔术波长”的激光,形成一个驻波,这些驻波也是一系列浅浅的阱,原子会被封装在这一个个格子里。当然这个格子很小,只有魔术波长光的波长那么大,也就是八百多纳米。所谓魔术波长,是因为这个波长的光不会影响钟跃迁的频率,而其它波长的光都会有较大影响,是不是真的有那么点魔术,有木有?

  

 

  我们对冷原子做了什么?  

   对了,锶原子光钟的钟跃迁频率很高,每秒钟振荡几百万亿次。晕,这能数得过来不,数不过来的话又有什么用啊?不过,这不是问题,科学家很聪明的,他们发明了一种用来量光学频率的尺子,光谱看起来神似一把梳子,名曰“光梳”。这把梳子的每一个齿,都是一个频率确定的激光。利用这把梳子还能把频率极高的钟跃迁探测激光的稳定性传递到射频段。现代的电子学设备,能很精准地数出射频的频率,从而使得锶原子光钟极高的稳定性能得到更广泛的应用。

  这,就是锶原子光晶格钟。

  如此高精准的钟,到底有什么用? 

  当然不会是为了上班打卡更准时,亦或是——新闻联播更精确。  

  在民用方面,相信很多人旅游都会用到手机的一项很实用的软件——手机导航。GPS是一个大家最常见的导航系统。再上升一个层次,精确的原子钟可以为导弹、卫星和航天飞机的发射、测控和制导提供高精度的时间信号。所以,高精度的原子钟绝对是航空、军事乃至国际安全的基础。

  

 

  正所谓,只有安静下来才能看见真的自己,同样,只有安静的原子才能探测到真的钟跃迁。利用这种安静的原子,科学家能精准地探测到钟跃迁的频率。不过要准确地探测钟跃迁,则要求探测激光在短时间内频率极其稳定,这就好比不能用钳子来挑扎在肉里的小刺。而这个激光的频率长期稳定性会被锁定在钟跃迁的共振频率上,从而使得该激光器的频率在短期和长期中都有极高的稳定性。这台激光器,便是一个频率非常稳定的振荡器。  

  

 

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