原子鐘：計(jì)量時(shí)間的“千分尺”

張照星　唐東

太空浩瀚，斗轉(zhuǎn)星移;四季更替，草木枯榮。從古至今，人們都能清晰感知到時(shí)間的流逝。

為了準(zhǔn)確計(jì)量時(shí)間，隨著時(shí)代發(fā)展，時(shí)間計(jì)量工具在不斷更新?lián)Q代，從日晷、沙漏、水鐘，到機(jī)械鐘、石英鐘，再到原子鐘，精確度越來(lái)越高。如果說(shuō)日晷、沙漏、水鐘是“魯班尺”，那么機(jī)械鐘、石英鐘就是“卷尺”，原子鐘則是“千分尺”。

原子鐘的“前世今生”

20世紀(jì)30年代，科學(xué)家在研究原子和原子核的基本特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，原子的振蕩頻率準(zhǔn)確性非常高，從而產(chǎn)生了利用原子的振蕩頻率來(lái)制作時(shí)鐘的想法。1948年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局利用氨分子的吸收譜線，建造了世界上第一臺(tái)原子鐘。但受多普勒效應(yīng)影響，振蕩器譜線太寬，其精確度并不比石英鐘高。為此，美國(guó)物理學(xué)家拉姆齊在1949年提出分離振蕩場(chǎng)的方法，大大提高了精確度。

1955年，英國(guó)皇家物理實(shí)驗(yàn)室用銫元素唯一的穩(wěn)定同位素銫-133原子，成功研制出第一臺(tái)銫束原子鐘，開創(chuàng)了實(shí)用型原子鐘的新紀(jì)元。到20世紀(jì)末，科學(xué)家們對(duì)原子鐘的使用條件進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，并通過(guò)使用激光冷卻和原子俘獲及更精密的激光光譜等技術(shù)，大幅提高了原子鐘的精確度。

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家們不但在原子鐘的準(zhǔn)確度方面追求極致，還在原子鐘的微型化和節(jié)能化方面狠下功夫。這使新一代原子鐘實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)躍升，能耗也大大降低，從而在穩(wěn)定性和精密性方面得到極大優(yōu)化，并進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。

原子鐘一般運(yùn)用在對(duì)時(shí)間精確度要求比較高的系統(tǒng)上。比如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它主要利用測(cè)量時(shí)間來(lái)測(cè)距，最后達(dá)到導(dǎo)航定位的目的。時(shí)間測(cè)量，則主要依賴于衛(wèi)星和地面站放置的原子鐘。原子鐘如同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“心臟”，其精準(zhǔn)直接影響衛(wèi)星定位、測(cè)速和授時(shí)精度。

衛(wèi)星上常用的銣原子鐘，可做到幾十萬(wàn)年只差1秒。即使如此之高的時(shí)間精度，也會(huì)讓衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)米的定位誤差。據(jù)測(cè)算，目前精度最高的原子鐘——光鐘，運(yùn)行300億年誤差只有1秒。如果技術(shù)條件允許，將光鐘放到衛(wèi)星上用于導(dǎo)航，即使你去火星“旅游”，拿著手機(jī)導(dǎo)航，定位誤差也不會(huì)超過(guò)1米。

隨著科技發(fā)展，我們對(duì)時(shí)間精確度要求越來(lái)越高。比如在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1秒的時(shí)間誤差會(huì)導(dǎo)致30萬(wàn)公里的位置誤差。假如未來(lái)某一天可在星際間穿越，哪怕是萬(wàn)分之一秒的誤差，都會(huì)上演“星際迷航”。因此，創(chuàng)新發(fā)展原子鐘永無(wú)止境。

原子鐘的工作原理

原子由中心的原子核及在核外沿特定軌道運(yùn)行的電子組成。每個(gè)電子都有屬于自己固定的飛行軌道，當(dāng)最外層電子從一個(gè)軌道跳變到另一個(gè)軌道時(shí)，能量就會(huì)發(fā)生改變，需要吸收或釋放電磁波。這個(gè)電磁波有一個(gè)確定的頻率，而且非常穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)在電子表原理，只要我們掌握了某種原子超精細(xì)能級(jí)之間所對(duì)應(yīng)的電磁振蕩頻率，就可用來(lái)精確計(jì)時(shí)了。所以，科學(xué)家用原子作節(jié)拍器，保持時(shí)間的高精度。

如何利用這個(gè)穩(wěn)定的電磁波作為時(shí)間計(jì)量的鐘？科研工作者們針對(duì)不同原子，研究出了不同對(duì)策。對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星上裝載的銣原子鐘，首先將銣原子團(tuán)“囚禁”在一個(gè)密閉的真空氣室里，并用波長(zhǎng)780納米的光照射它，銣原子的最外層電子吸收光場(chǎng)的能量，跳變到另一個(gè)軌道，并自輻射到第三個(gè)軌道。當(dāng)所有銣原子都完成這一步驟后，便不再吸收光子，也無(wú)法觀察到原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的熒光了。之后，再用一個(gè)6.8吉赫茲的微波去照射這群原子，讓第三個(gè)軌道的電子重新回到第一個(gè)軌道。這時(shí)，可觀察到銣原子重新吸收780納米的光子，并自發(fā)輻射出熒光。利用觀察到的熒光強(qiáng)弱，反饋回去糾正微波信號(hào)，就可得到高度穩(wěn)定的微波頻率。這就是銣原子鐘的工作原理。

地面上常用于時(shí)間保持的銫原子鐘，則完全采用不同策略。原子外層電子如果處在不同軌道，就會(huì)具有不同的磁矩，在非均勻磁場(chǎng)中，將會(huì)受到不同大小的磁力。先將銫原子加熱成氣體，并讓其穿過(guò)一個(gè)小孔變成銫原子束，然后再穿過(guò)一塊特定的磁鐵，處于不同軌道的原子就會(huì)發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)。這時(shí)，用一束9.2吉赫茲的微波去照射這些原子，讓某一特定角度偏轉(zhuǎn)的原子實(shí)現(xiàn)軌道跳變，最后再通過(guò)一個(gè)特定方向的磁鐵，讓發(fā)生跳變的這一部分原子剛好穿過(guò)另外一個(gè)小孔，并用傳感器去探測(cè)這一部分原子的數(shù)目，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，反饋回去控制微波源的頻率，得到穩(wěn)定頻率的微波信號(hào)。

有了這些穩(wěn)定頻率的微波信號(hào)后，人們可通過(guò)電磁學(xué)手段，將其轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)頻率，供科研、通信、工業(yè)等領(lǐng)域使用。也可利用電磁學(xué)手段，將這個(gè)頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列間隔為一秒的脈沖信號(hào)，進(jìn)而變?yōu)槲覀兪煜さ臅r(shí)間信號(hào)“時(shí)、分、秒”進(jìn)行輸出。這樣，我們就擁有了一臺(tái)原子鐘。

隨著激光等技術(shù)手段的不斷成熟，除了傳統(tǒng)的銣鐘、氫鐘、銫鐘之外，還涌現(xiàn)出離子鐘、冷原子噴泉鐘、光鐘等新型原子鐘，精確度指標(biāo)也在不斷刷新。目前，最好的光鐘精確度指標(biāo)已進(jìn)入10～19量級(jí)。

無(wú)處不在的原子鐘

聽起來(lái)高深莫測(cè)的原子鐘，其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)，已融入我們的生活。

除了定位導(dǎo)航外，原子鐘還被應(yīng)用到全世界的時(shí)間保持和授時(shí)服務(wù)上。比如，我們所熟知的北京時(shí)間，就是全世界150多臺(tái)原子鐘共同守時(shí)并加權(quán)平均后的結(jié)果。各種物理學(xué)常數(shù)的測(cè)定，還有電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)，也都離不開高精度的原子鐘。否則，電網(wǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間出現(xiàn)偏差，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)故障;各地交通體系時(shí)間有差異，可能會(huì)造成交通事故。

如今，電信公司以數(shù)據(jù)包的形式來(lái)傳輸語(yǔ)音，這使他們能在同一時(shí)間通過(guò)電話線傳輸大量語(yǔ)音。當(dāng)你給另一個(gè)城市的人打電話時(shí)，你的語(yǔ)音會(huì)被分解并在兩端計(jì)算機(jī)之間傳輸。一個(gè)對(duì)話與另一個(gè)對(duì)話之間會(huì)來(lái)回往復(fù)，每秒鐘可達(dá)數(shù)千次。然而，要實(shí)現(xiàn)這一切，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)必須保持完美同步，不然通話就會(huì)變得很混亂，聽起來(lái)像是胡言亂語(yǔ)。這就是現(xiàn)在電信公司都配有原子鐘的原因——計(jì)算機(jī)之間時(shí)刻保持完全同步。

電影里，大戰(zhàn)前夕，指揮員們總會(huì)表情嚴(yán)肅地湊到一起，伸出手腕對(duì)表，以便統(tǒng)一行動(dòng)。但在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，各個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)“對(duì)表”，就得依靠原子鐘。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展，精準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)成為網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的關(guān)鍵，時(shí)頻體系是一個(gè)國(guó)家的國(guó)防基礎(chǔ)。而原子鐘作為目前世界上最準(zhǔn)確的時(shí)間獲得和測(cè)量工具，屬于一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略資源，尖端武器、航天系統(tǒng)、導(dǎo)彈與火箭的發(fā)射及跟蹤，都離不開它。比如要想提高制導(dǎo)武器命中率，就必須提高計(jì)時(shí)的精確度。否則，就會(huì)出現(xiàn)“差之毫厘，謬以千里”的后果?？梢哉f(shuō)，離開了高精度的時(shí)間計(jì)量，目前絕大多數(shù)的精確制導(dǎo)武器將會(huì)形同虛設(shè)。

在聯(lián)合作戰(zhàn)方面，未來(lái)無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)或空天一體化作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中，所有作戰(zhàn)設(shè)備都需要高精度時(shí)間同步。衛(wèi)星、飛機(jī)、導(dǎo)彈、地面雷達(dá)、艦船等裝備，都需要一個(gè)高精度本地時(shí)鐘——原子鐘，并通過(guò)電磁波或光纖實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。只有這樣，才能提高探測(cè)、預(yù)警和打擊精度，同時(shí)提高聯(lián)合作戰(zhàn)效率。

未來(lái)的深空探測(cè)、太空戰(zhàn)等，都離不開遠(yuǎn)距離定位導(dǎo)航，這也將對(duì)原子鐘的指標(biāo)提出更高要求。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》。責(zé)編：楊思玄）