數(shù)億年誤差不超1秒！誰(shuí)賦予原子鐘“可怕”的精確性？

原子鐘的原理到底是什么？其具體運(yùn)行原理又是怎樣的？

這是大家看新聞時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，而今年，關(guān)于我國(guó)各種原子鐘取得新進(jìn)展的新聞恰好又很多。例如：

目前商用的銣原子鐘秒級(jí)穩(wěn)定度通常在E-11到E-12量級(jí)水平，而在今年一月，據(jù)媒體報(bào)道，我國(guó)研制的新型銣原子鐘在秒級(jí)頻率穩(wěn)定度這個(gè)核心指標(biāo)上，首次進(jìn)入了E-14量級(jí)，即百萬(wàn)億分之一。

同樣在今年一月，據(jù)媒體報(bào)道，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功研制出萬(wàn)秒穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于

（相當(dāng)于數(shù)十億年的誤差不超過(guò)1秒）的鍶原子光晶格鐘。

2016年發(fā)射的中國(guó)墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，而正在研制，未來(lái)將要發(fā)射的中高軌量子衛(wèi)星將搭載精度更高的原子鐘。（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

01 怎么定義鐘的精確性？

在說(shuō)原子鐘之前，我們不妨先來(lái)思考這樣一個(gè)問(wèn)題：怎么定義一種鐘的精確性？

答案是：

當(dāng)這種鐘把時(shí)間劃分得越細(xì)，則得到的時(shí)間就越精確。

例如：

若把地球公轉(zhuǎn)作為一種鐘，則其精度就是“年”；

同理，若把月球繞地球轉(zhuǎn)作為一種鐘，則其精度就是“月”；

若把地球自轉(zhuǎn)看作是一種鐘，則其精度就是“天”。

顯然，你會(huì)承認(rèn)這樣一個(gè)事實(shí)：

“地球自轉(zhuǎn)鐘”的精度遠(yuǎn)高于“地球公轉(zhuǎn)鐘”。因?yàn)榍罢吣軐r(shí)間一天一天地劃分出來(lái)，而后者只能將時(shí)間一年一年地劃分出來(lái)。

02 鐘的頻率是關(guān)鍵因素

“地球公轉(zhuǎn)鐘”的頻率是一年一次，而“地球自轉(zhuǎn)鐘”的頻率則是一年大約365次。后者精度更高。

以上事實(shí)告訴我們，只要能找到頻率更高，且重復(fù)性更好的“東西”，然后將這個(gè)“東西”作為鐘就行了。

那么，什么東西的變化頻率很大呢？

1880年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石英具有壓電效應(yīng)——在一塊石英材料中施加壓力，就會(huì)產(chǎn)生電流。

那么反過(guò)來(lái)又會(huì)怎樣？

反過(guò)來(lái)也成立，只要在一塊石英中施加電場(chǎng)，則其會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這就是“逆壓電效應(yīng)”。

那么，受到電場(chǎng)影響的石英，其振動(dòng)頻率又是多少呢？答案是不確定，因?yàn)槭⒌那懈钚螤畈煌?，其頻率也不同。

然而，一種最經(jīng)典的切割形狀所對(duì)應(yīng)的頻率為32768赫茲，也就是1秒內(nèi)要振動(dòng)32768次。

因此，我們只要確?！扒懈钚螤睢毕嗤?，就能得到一個(gè)固定頻率了。

于是，我們得到了石英鐘。

石英鐘，圖片來(lái)自Wikipedia。

石英鐘出現(xiàn)后，人類(lèi)將時(shí)間細(xì)分的能力又上升了一大步。把1秒分成了32768等份，這比起“地球自轉(zhuǎn)鐘”不知道精準(zhǔn)了多少倍。

為了進(jìn)一步攀登精準(zhǔn)的“高峰”，科學(xué)家們將目光射向了原子內(nèi)部！

03 量子力學(xué)來(lái)幫忙

電子在原子核外面的運(yùn)動(dòng)，按照傳統(tǒng)形象的說(shuō)法，電子運(yùn)動(dòng)在一條“軌道”上，跟宏觀世界不同的是，電子并不是永遠(yuǎn)只在一條軌道上運(yùn)動(dòng)，有時(shí)候它會(huì)從一條軌道“跑到”另一條軌道上，在量子力學(xué)上這被稱(chēng)為“躍遷”。

原子具有不同的“能級(jí)”，這是由核外電子所處軌道的不同決定的。也就是說(shuō)，當(dāng)電子處在一條軌道上的時(shí)候，原子處在一個(gè)能級(jí)上，當(dāng)電子躍遷到另一條軌道上時(shí)，原子又處在另一個(gè)能級(jí)上。

原子的兩個(gè)能級(jí)之間會(huì)有能量差，這里的能量差是恒定不變的，我們用“△W”來(lái)代替。

當(dāng)核外的電子吸收了的來(lái)自外部的△W能量后，電子會(huì)躍遷到另一條軌道上。

反之，如果電子從這條軌道返回原來(lái)的軌道，它將“吐出”原來(lái)吸收的△W能量。

這里的△W能量其實(shí)就是電磁波，而電磁波的能量不同，其頻率也不同。

再有就是，不同的原子，其能級(jí)之間的能量差也不同。而能量差本來(lái)就是電磁波，所以我們可以檢測(cè)原子放出的特定電磁波來(lái)識(shí)別不同的原子。

最后，電子在兩個(gè)不同能級(jí)間躍遷時(shí)，吸收或者輻射“一份”相同的能量差時(shí)，這個(gè)能量差相對(duì)其他東西，其更不容易因?yàn)榄h(huán)境的改變而改變。

可以這么說(shuō)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度、磁場(chǎng)等條件基本固定的情況下，能量差是恒定的，無(wú)論是過(guò)了10億年，還是過(guò)了1000億年，它都不會(huì)變，因?yàn)樗窃幼陨淼墓逃袑傩浴?/p>

銫有多種同位素，比如銫-133，銫-137。而這里，我們將要說(shuō)的主角就是銫-133。

高純度銫-133儲(chǔ)存在氬氣中，圖片來(lái)自Wikipedia。

作為第55號(hào)元素的銫，它的原子核外有55個(gè)電子。所以不難理解，銫原子的能級(jí)有很多種，且很復(fù)雜。

不過(guò)這沒(méi)有任何關(guān)系，因?yàn)殇C原子鐘使用的是最外層電子，而最外層又只有一個(gè)電子，運(yùn)行在相對(duì)獨(dú)立的軌道上。其能級(jí)躍遷最為容易識(shí)別。

銫原子電子層（圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

那么，銫原子最外層這個(gè)電子的能級(jí)躍遷，其吸收或者放出的電磁波，其頻率到底是多少？

答案是9192631770赫茲。

石英鐘能把1秒細(xì)分成32768份，這種時(shí)間上的精確度還不足于使用在衛(wèi)星定位上。

然而，當(dāng)我們有能力把1秒平均切分成9192631770份后，也就是大約92億份后，我們就有足夠的精確度了。

04 原子鐘的大體運(yùn)行原理

簡(jiǎn)化來(lái)說(shuō)是這樣的：

第一步：準(zhǔn)備銫原子

我們先要弄出一大群能級(jí)相同的銫原子，這個(gè)較為容易做到，通常是通過(guò)加熱銫金屬并讓其蒸發(fā)成氣態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

第二步：真空管封閉傳輸

這一大群銫原子被引導(dǎo)通過(guò)一個(gè)真空管道，這個(gè)管道是密閉的，以防原子與外界環(huán)境交互，從而影響到它們的能級(jí)狀態(tài)。

第三步：微波輻射

在管道中，科學(xué)家們用特定頻率的微波（電磁波的一種）照射這些原子。只有當(dāng)微波的頻率與銫原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷頻率精確匹配，也就是大約9192631770赫茲時(shí)，銫原子才會(huì)吸收這些微波并從一個(gè)超精細(xì)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。

第四步：檢測(cè)信號(hào)

當(dāng)銫原子吸收了微波并完成躍遷后，它們會(huì)在某個(gè)點(diǎn)上返回到原來(lái)的能級(jí)，并重新釋放之前吸收的能量，同樣還是以電磁波的形式。

這個(gè)釋放的電磁波信號(hào)可以被檢測(cè)到，從而證實(shí)之前發(fā)射的微波頻率確實(shí)是9192631770赫茲。

第五步：頻率的精準(zhǔn)控制

通過(guò)不斷調(diào)整微波的頻率并檢測(cè)銫原子是否發(fā)生躍遷，人類(lèi)就可以非常精確地確定并控制微波頻率了。

總結(jié)以上，你可以認(rèn)為原子鐘的原理其實(shí)是一個(gè)“雙重確認(rèn)”的過(guò)程，即：

我們雖然在努力發(fā)射頻率為9192631770赫茲電磁波，然而，你怎么確定，你發(fā)射的電磁波就是這個(gè)頻率呢？我們并不知道。

這需要一個(gè)確認(rèn)的過(guò)程。

所以，只能不斷調(diào)試，然而，在某刻，我們接收到大量銫原子發(fā)生躍遷后而發(fā)射出來(lái)的強(qiáng)烈信號(hào)時(shí)，我們就確定了這么一個(gè)事實(shí)：

我們發(fā)射的電磁波，它的頻率真的就是9192631770赫茲。

這個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的就是1秒內(nèi)產(chǎn)生了9192631770個(gè)周期，通過(guò)電子計(jì)數(shù)器對(duì)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，每當(dāng)發(fā)生9192631770個(gè)周期后，秒鐘就跳動(dòng)一下。

每當(dāng)電子計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)了4596315885次，那就代表時(shí)間經(jīng)過(guò)了0.5秒。

以上，就是銫原子鐘的基本原理。

05 用“跳繩”解釋

實(shí)際上，我們還可以用“跳繩”來(lái)理解原子鐘的原理。

在跳繩中，兩個(gè)人把著繩子的兩端，以一定頻率一圈一圈地?fù)]動(dòng)繩子，如果這個(gè)頻率是1秒1圈，則跳繩的人也必須是這個(gè)頻率跳動(dòng)，即1秒跳1次，否則不久就會(huì)失敗。

如果揮動(dòng)繩子的頻率是9192631770赫茲，則跳繩的人也必須是1秒跳9192631770次，這樣就合拍起來(lái)了。

假如世界上真有一些人，他們能不吃不喝，且能在特定條件下恒定不變地以每秒跳動(dòng)9192631770次，那我們大可不必舍近求遠(yuǎn)，去找什么銫原子來(lái)幫忙，直接使用這些人就行了。

可惜的是，地球上沒(méi)有哪種人，也沒(méi)有哪種人造物能在特定條件下，以如此恒定不變的周期跳動(dòng)。

因此，這里的銫原子其實(shí)就相當(dāng)于在特定條件下能以恒定不變周期跳動(dòng)的那些“跳繩人”。

而我們向銫原子發(fā)射的電磁波，其實(shí)就相當(dāng)于揮動(dòng)繩子的那兩個(gè)人。如果兩者節(jié)奏合拍，則我們可以斷定，1秒內(nèi)，人為揮動(dòng)繩子的頻率為9192631770次。

跳繩的那些人，我們不能方便地對(duì)其計(jì)數(shù)，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，我們只要使用先進(jìn)的“電子計(jì)數(shù)器”計(jì)數(shù)揮動(dòng)繩子的次數(shù)就可以了。

綜上，我們還可以這么說(shuō)：

使用極為先進(jìn)的基于分頻技術(shù)和高速計(jì)數(shù)器芯片的“電子計(jì)數(shù)器”，我們能在1秒內(nèi)計(jì)數(shù)百億次以上，然而，我們不能將它作為時(shí)鐘來(lái)使用。

因?yàn)槟氵@次雖然計(jì)數(shù)了920億次，但你這次可能是在10.1秒計(jì)數(shù)完成的。下次，你又計(jì)數(shù)了920億次，你又可能是在9.9999秒完成的。

所以，最大的問(wèn)題是，如何確保每次持續(xù)的計(jì)數(shù)都是在相同的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)了相同的次數(shù)呢？

無(wú)法確保，因?yàn)槟銢](méi)有一個(gè)恒定不變的參照物。于是，就使用銫原子固定不變的屬性來(lái)作為參照物即可。

作者：寒木釣萌 科普作家、科技部“全國(guó)優(yōu)秀科普作品獎(jiǎng)”獲得者

審核：劉婭 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心研究員

出品：科普中國(guó)

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