原子钟让计时精度走向极限

根据原子物理学的基本原理，当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会释放电磁波。同一种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节拍器来保持高度精确的时间。原子钟就是利用保持与原子的电磁波特征频率同步作为产生时间脉冲的节拍器。◎本报记者 冯卫东2020年底，《自然》杂志刊载了一篇来自美国麻省理工学院研究人员的成果报道，这些研究人员利用量子纠缠现象新设计出一种原子钟，如果运行约140亿年（大约是当前宇宙的年龄），该原子钟可将时间精度保持在十分之一秒之内。而在同样的时间框架内，此前最先进的原子钟偏差在半秒左右。自从人类意识到时间的流逝，就开始利用周期性现象进行追踪。在古代，人们是观察太阳、月亮在天空中的运动来判断时间的运行，随着科学技术发展，人类测量时间的手段也越来越先进。15世纪，依靠钟摆和发条组成擒纵机构诞生，成为现代机械钟表的核心，再后来又出现利用石英周期振动来计时的钟表。到后来，原子钟的出现成为人类计时史上的一次重大革命，它使得计时标准从天文学的宏观领域转向了物理学的微观领域，历史从此由“天文秒”时代进入“原子秒”时代，开启了人类时间测量的崭新阶段。人类对时间的测量和追踪正在越来越接近宇宙的本源。通过跟踪原子振荡来测量时间生活中常以分秒来计时，在当今太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等领域，越来越需要更精密的时间测量。时间常常被准确到万分之一秒，甚至百万分之一秒。为了达到要求，许多精密的计时器诞生，原子钟就是其中之一。原子钟是世界上已知最精确的计时仪器，采用了最准确的时间测量和频率标准，同时这一标准也被认为是国际时间和频率转换的基准，广泛应用于控制电视广播和全球定位系统卫星的信号传递。原子钟的研发涉及到量子物理学、电学、结构力学等众多学科，目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。根据原子物理学的基本原理，原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。当原子从一个“能量态”跃迁至更低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种不连续的电磁波的频率，就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的——例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。原子钟就是使用激光来测量原子的共振频率，从而实现精准计时。如果要追求近乎完美的时间测量，原子钟必须去跟踪单个原子的振荡。但是按照量子力学的规律：当被测量时，原子振荡的行为就像抛一枚硬币，只有在多次翻转中取平均值才能给出相对稳定的数值，这被物理学家称为标准量子极限。因此，今天的原子钟被设计用来测量由成千上万个相同类型的原子组成的气体，以便估算其平均振荡频率。尽管原子钟的类型有多种，但其背后的原理大致相同。目前最常见的原子钟使用的原子包括氢、铯、铷等碱金属原子。但元素周期表中有100多种元素，为何科学家偏偏对这几种原子情有独钟？这是因为碱金属原子内部只有一个价电子，理论模型相对多价电子体系较为简单。科学家在长期实验中发现，碱金属原子中铯原子钟又最为稳定，误差可低至每2000万年1秒的水平。据了解，铯原子钟使用铯原子束，通过磁场将能级不同的铯原子分离该时钟将高稳定性铯振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机结合在一起，使铯振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。氢原子钟将氢原子保持在四周由特殊材料制成的容器中，从而使氢原子保持所需的能级，而不至于太快失去其较高的能量状态，但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起其输出频率的变化，从而导致氢原子钟长期性能变差，为了减小这些影响，可借助自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上，并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。铷原子钟是所有原子钟中最简单也最紧凑的一种，它使用装有铷气的玻璃腔，铷气在周围的微波频率恰到好处时，就会按照铷原子的振荡频率改变其光吸收率。铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率几乎没有漂移，性能与铯原子钟相近，而且不存在铯原子钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。量子纠缠让计时精度 有了大幅提升那么原子钟是如何诞生的呢？1945年，美国哥伦比亚大学物理学教授伊西多·拉比提出，可以用他在上世纪30年代开发的原子束磁共振技术制作钟表；1949年，美国国家标准技术研究院（NIST）的前身美国国家标准局公布了世界上第一个使用氨分子作为振动源的原子钟；1952年，NIST宣布了第一个使用铯原子作为振荡源的原子钟NBS-1。1955年，英国国家物理实验室制造了第一个用作校准源的铯钟。1967年，第十三届度量衡大会基于铯原子的振荡定义了1秒时间，从那时起全球计时系统抛弃了天文历书时，进入了原子时时代。1968年建成的NBS-4是当时世界上最稳定的铯原子钟，并在上世纪90年代被用作NIST授时系统的一部分。NIST最新的铯原子钟NIST-F1能够将时间精度保持在每年约300亿分之一秒，这是NIST建造的一系列铯钟中的第8个，也是NIST第一个以“喷泉”原理工作的铯钟。通常原子钟是用激光把数千个原子关在一个光学“陷阱”里，然后用另一种频率与被测原子振动频率相似的激光探测它们。将原子以经典物理学定律不可能的方式关联在一起，使科学家能够更准确地测量原子的振荡。麻省理工学院的研究小组认为，如果原子被纠缠，它们的单个振荡将在一个共同的频率附近收紧，与不被纠缠相比，偏差较小。因此，原子钟可以测量的平均振荡将具有超出标准量子极限的精度。研究人员纠缠了约350个镱原子，该元素每秒比常规原子钟所使用的铯原子的振荡频率高10万倍。该小组使用标准技术冷却原子并将其捕获，困在由两个反射镜形成的光学腔中。然后，他们通过激光腔发出激光，使其在反射镜之间反射，与原子反复相互作用并纠缠它们。通过这种方式，研究人员将原子纠缠在一起，然后使用类似于现有原子钟的另一激光来测量其振荡的平均频率。与不纠缠原子的类似实验相比，他们发现带有纠缠原子的原子钟达到了所需精度的4倍。既有助于解码宇宙又能服务生活与生活中常见的闹钟、手表等计时器不同，我们在日常生活中很难一窥原子钟的真面目。事实上，原子钟既高大上又接地气。说它高大上，是因为它或许能帮助解码宇宙中神秘莫测的信号；说它接地气，是因为如果没有它的帮助，手机上的导航就会把你带偏不止一点点。卫星定位系统都是通过获得卫星和用户接收机之间的距离来计算的，而距离等于传播时间乘以光速，因此精确的距离测量实际上就是精确的时间测量。没有高精度的时频，卫星导航定位系统就不可能实现高精度的导航与定位。所谓失之毫“秒”谬以千里，这正是原子钟大显身手的地方。由于引力会影响时间的流逝，因此距离海平面更近的时钟实际上比珠穆朗玛峰上的时钟慢一点，这意味着物理学家可以使用原子钟来测定地球的形状、大小和地球重力场等，这是一个被称为大地测量学的科学领域。为了提高测量精度，天文学家已开始将设施同步到单个精确的时间标准。这种同步会改善被称为超长基线干涉法的天文成像技术，该方法涉及多个天文台协同成像一个原本无法用单个望远镜分辨的物体。例如，天文学家今年早些时候使用这种技术拍摄了黑洞的第一张图像。更好的时间同步将可以实现更高分辨率的成像，因此也需要原子钟来帮忙。此外，如果原子钟能够更准确地测量原子振荡，那么它们将足够灵敏以检测诸如暗物质和引力波之类的现象。有了更好的原子钟，科学家还可以开始回答一些令人费解的问题，例如重力对时间的流逝可能产生什么影响，以及时间本身是否随着宇宙的老化而改变。（《科技日报》2021年1月15日第  5 版。）