精準(zhǔn)計(jì)時(shí)

徐寧

石英晶體通電后產(chǎn)生的規(guī)律振動(dòng)可以作為計(jì)時(shí)的依據(jù)。

一秒有多長(zhǎng)？

計(jì)時(shí)工具的精度與科技并肩提升。日晷將一天分割為若干個(gè)時(shí)或時(shí)辰，機(jī)械鐘進(jìn)一步將一天分割成1440分或86400秒。作為計(jì)時(shí)工具，不同廠家制造的鐘表必須用同一個(gè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)，因此，人們想到了地球的自轉(zhuǎn)。然而，地球每自轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間都會(huì)比上一圈增加幾微秒，也就是說(shuō)，地球會(huì)越轉(zhuǎn)越慢，1秒也會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)。這樣看來(lái)，天體運(yùn)行并不適合作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

1927年，石英鐘問(wèn)世了?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，切割成特殊尺寸的石英晶體在通電后能以固定頻率振動(dòng)，即每秒32 768個(gè)周期。因?yàn)檫@個(gè)頻率值是2的整數(shù)次冪（2¹⁵），所以二進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片可以很容易處理它：計(jì)數(shù)芯片每數(shù)32768次振動(dòng)，就產(chǎn)生1赫茲電信號(hào)，讓秒針向前移動(dòng)一格。

原子秒到來(lái)

可即便已經(jīng)十分精準(zhǔn)的石英鐘依然存在不足：溫度和壓力的變化會(huì)稍稍改變石英晶體的振動(dòng)頻率，這種誤差讓石英鐘無(wú)法滿足量子物理實(shí)驗(yàn)和電視直播等領(lǐng)域?qū)τ?jì)時(shí)精度的嚴(yán)格要求。因此，發(fā)明精度更高的計(jì)時(shí)工具成了當(dāng)務(wù)之急。

1955年，英國(guó)科學(xué)家埃森和帕里制造出了第一臺(tái)銫原子鐘。當(dāng)處于特定頻率的微波輻射下時(shí)，銫原子的電子會(huì)在不同能級(jí)之間反復(fù)躍遷，并產(chǎn)生振動(dòng)頻率固定的電磁波，其頻率不但遠(yuǎn)超石英晶體的頻率，而且同種原子的同一種躍遷釋放的電磁波頻率是固定的。以這種固定頻率電磁波作為諧振子的計(jì)時(shí)工具將實(shí)現(xiàn)前所未有的超高計(jì)時(shí)精度。事實(shí)也的確如此：埃森和帕里制造的這臺(tái)原子鐘，每300萬(wàn)年誤差僅為1秒。雖然這臺(tái)原子鐘的設(shè)計(jì)目的只是為了校準(zhǔn)石英鐘，并且只能運(yùn)行幾天，但是埃森和帕里相信，原子鐘能夠提供比天體運(yùn)行或石英鐘更準(zhǔn)確的時(shí)間參考。他們甚至發(fā)出了“天文秒已死，原子秒到來(lái)”的感慨。

1960年，國(guó)際度量衡大會(huì)對(duì)1秒的定義為：1960年地球自轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的1/86400。然而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只使用了7年。在1967年召開(kāi)的第13屆國(guó)際度量衡大會(huì)上，與會(huì)代表同意將1秒的官方定義更改為“銫原子133同位素基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射周期的9192631770倍的時(shí)間”。該定義所采用的原子鐘的躍遷頻率在微波頻段，因此這種原子鐘也被稱(chēng)為微波鐘。

從微波鐘到光鐘

科學(xué)家很久以前就發(fā)現(xiàn)，銫的躍遷頻率還不是最高的，鐿或鍶的躍遷頻率比銫高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。如果以鐿或鍶作為原子鐘的核心，那么原子鐘的計(jì)時(shí)精度將進(jìn)一步提升。由于鐿或鍶的躍遷頻率處于光學(xué)頻段，這類(lèi)原子鐘也被稱(chēng)為光學(xué)原子鐘（簡(jiǎn)稱(chēng)“光鐘”）。目前最先進(jìn)的光鐘——Yb-2，可以達(dá)到運(yùn)行200億年誤差不超過(guò)1秒的計(jì)時(shí)精度。

光鐘在為計(jì)時(shí)精度帶來(lái)飛躍的同時(shí)，也引出了新問(wèn)題：它的計(jì)時(shí)精度已經(jīng)大大超過(guò)對(duì)時(shí)間的現(xiàn)有定義。在預(yù)計(jì)于2026年召開(kāi)的下一屆世界度量衡大會(huì)上，來(lái)自全世界的科學(xué)家代表將投票表決是否更改現(xiàn)有的時(shí)間定義。

新時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的確定取決于采用什么類(lèi)型的光鐘。目前全世界正在研發(fā)的新型光鐘不下10種。光鐘之間的區(qū)別不僅在于其內(nèi)部元素，更在于其所采用的設(shè)計(jì)架構(gòu)。其中一種較為領(lǐng)先的設(shè)計(jì)架構(gòu)是光晶格原子鐘，其原理是同時(shí)測(cè)量約1萬(wàn)個(gè)中性原子的躍遷頻率，以獲得穩(wěn)定且靈敏的讀數(shù)。Yb-2就屬于光晶格原子鐘。另一種設(shè)計(jì)架構(gòu)是單陷阱離子原子鐘，通過(guò)測(cè)量處于隔離狀態(tài)的單個(gè)帶電離子的躍遷頻率計(jì)時(shí)。

YB-2光學(xué)原子鐘

芯片化的原子鐘可以搭載在人造衛(wèi)星等設(shè)備上。

那么，超高精度的原子鐘有什么用呢？畢竟，如果只是看個(gè)時(shí)間，我們并不需要千萬(wàn)億分之一秒或更高的精度。其實(shí)，高精度原子鐘的用途非常廣泛，其中和我們關(guān)系最密切的是衛(wèi)星定位系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有定位衛(wèi)星內(nèi)置高精度的銫原子鐘。原子鐘的精度越高，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。我們使用的寬帶網(wǎng)絡(luò)需要原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，帶寬越高則對(duì)原子鐘的要求也越高。此外，對(duì)地震的及時(shí)預(yù)測(cè)，乃至深空觀測(cè)，都需要超高精度的原子鐘。