原子鐘：計量時間的“千分尺”

文 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間的流逝。

為了準(zhǔn)確計量時間，隨著時代發(fā)展，時間計量工具在不斷更新?lián)Q代，從日晷、沙漏、水鐘，到機(jī)械鐘、石英鐘，再到原子鐘，精確度越來越高。如果說日晷、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制作時鐘的想法。1948年，美國國家標(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，美國物理學(xué)家拉姆齊在1949年提出分離振蕩場的方法，大大提高了精確度。

1955年，英國皇家物理實驗室用銫元素唯一的穩(wěn)定同位素銫-133原子，成功研制出第一臺銫束原子鐘，開創(chuàng)了實用型原子鐘的新紀(jì)元。到20世紀(jì)末，科學(xué)家們對原子鐘的使用條件進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，并通過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。

1955年英國研制了世界上第一臺可靠的銫原子束鐘

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現(xiàn)了芯片級躍升，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。

原子鐘一般運用在對時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)，它主要利用測量時間來測距，最后達(dá)到導(dǎo)航定位的目的。時間測量，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、測速和授時精度。

衛(wèi)星上常用的銣原子鐘，可做到幾十萬年只差1秒。即使如此之高的時間精度，也會讓衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)米的定位誤差。據(jù)測算，目前精度最高的原子鐘——光鐘，運行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，定位誤差也不會超過1米。

隨著科技發(fā)展，我們對時間精確度要求越來越高。比如在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1秒的時間誤差會導(dǎo)致30萬公里的位置誤差。假如未來某一天可在星際間穿越，哪怕是萬分之一秒的誤差，都會上演“星際迷航”。因此，創(chuàng)新發(fā)展原子鐘永無止境。

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行的電子組成。每個電子都有屬于自己固定的飛行軌道，當(dāng)最外層電子從一個軌道跳變到另一個軌道時，能量就會發(fā)生改變，需要吸收或釋放電磁波。這個電磁波有一個確定的頻率，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)能級之間所對應(yīng)的電磁振蕩頻率，就可用來精確計時了。所以，科學(xué)家用原子作節(jié)拍器，保持時間的高精度。

如何利用這個穩(wěn)定的電磁波作為時間計量的鐘？科研工作者們針對不同原子，研究出了不同對策。對于導(dǎo)航衛(wèi)星上裝載的銣原子鐘，首先將銣原子團(tuán)“囚禁”在一個密閉的真空氣室里，并用波長780納米的光照射它，銣原子的最外層電子吸收光場的能量，跳變到另一個軌道，并自輻射到第三個軌道。當(dāng)所有銣原子都完成這一步驟后，便不再吸收光子，也無法觀察到原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的熒光了。之后，再用一個6.8吉赫茲的微波去照射這群原子，讓第三個軌道的電子重新回到第一個軌道。這時，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，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，就會具有不同的磁矩，在非均勻磁場中，將會受到不同大小的磁力。先將銫原子加熱成氣體，并讓其穿過一個小孔變成銫原子束，然后再穿過一塊特定的磁鐵，處于不同軌道的原子就會發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)。這時，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)的原子實現(xiàn)軌道跳變，最后再通過一個特定方向的磁鐵，讓發(fā)生跳變的這一部分原子剛好穿過另外一個小孔，并用傳感器去探測這一部分原子的數(shù)目，將其轉(zhuǎn)換成電信號，反饋回去控制微波源的頻率，得到穩(wěn)定頻率的微波信號。

有了這些穩(wěn)定頻率的微波信號后，人們可通過電磁學(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，將這個頻率信號轉(zhuǎn)換成一系列間隔為一秒的脈沖信號，進(jìn)而變?yōu)槲覀兪煜さ臅r間信號“時、分、秒”進(jìn)行輸出。這樣，我們就擁有了一臺原子鐘。

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。

無處不在的原子鐘

聽起來高深莫測的原子鐘，其實離我們并不遙遠(yuǎn)，已融入我們的生活。

除了定位導(dǎo)航外，原子鐘還被應(yīng)用到全世界的時間保持和授時服務(wù)上。比如，我們所熟知的北京時間，就是全世界150多臺原子鐘共同守時并加權(quán)平均后的結(jié)果。各種物理學(xué)常數(shù)的測定，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)時間出現(xiàn)偏差，可能會導(dǎo)致電機(jī)故障；各地交通體系時間有差異，可能會造成交通事故。

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

電影里，大戰(zhàn)前夕，指揮員們總會表情嚴(yán)肅地湊到一起，伸出手腕對表，以便統(tǒng)一行動。但在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，各個作戰(zhàn)系統(tǒng)“對表”，就得依靠原子鐘。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)展，精準(zhǔn)的時間系統(tǒng)成為網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的關(guān)鍵，時頻體系是一個國家的國防基礎(chǔ)。而原子鐘作為目前世界上最準(zhǔn)確的時間獲得和測量工具，屬于一個國家的戰(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，就必須提高計時的精確度。否則，就會出現(xiàn)“差之毫厘，謬以千里”的后果。可以說，離開了高精度的時間計量，目前絕大多數(shù)的精確制導(dǎo)武器將會形同虛設(shè)。

在聯(lián)合作戰(zhàn)方面，未來無人作戰(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，都需要一個高精度本地時鐘——原子鐘，并通過電磁波或光纖實現(xiàn)時間同步。只有這樣，才能提高探測、預(yù)警和打擊精度，同時提高聯(lián)合作戰(zhàn)效率。

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