據美國雜誌《自然》中關於研究人員的成果報導顯示,這些研究人員利用量子糾纏現象設計出一種原子鐘,如果運行約140億年(即宇宙生命),該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒內。
自人類文明意識到時間流逝,就開始利用周期性現象進行追蹤。從古代對日月星辰的觀察,設計出最初的計時工具日晷、到15世紀後擺鐘和發條為核心的機械錶,再到石英表、再到後來的原子鐘。原子鐘是目前世界上已知最精確穩定的計時儀器,我們今天就來聊聊原子鐘。
計時的「時鐘」
生活中我們最常見的計時工具無非就是機械錶和石英鐘等。其實計時的原理相對簡單,無非就是數數。當一個物質現象出現一個可測量的穩定的周期性變化的物理量,那麼理論上我們就可以用作「時鐘」。
比如一個石英手錶內部有一個石英晶振,這個晶振輸出10MHZ的信號,意味著這個晶振輸出的電壓每秒改變一千萬次,於是做一個計數器對輸出電壓計數,一千萬次了就讓秒針動一下,這就是進行計時測量的時鐘了。
當然時鐘準不準?那麼就得看電子輸出電壓的頻率精確度與穩定性,在長時間的工作中如果出現輸出頻率不準,那麼就會導致時鐘時間出現偏差。因此保持周期性變化的穩定性就決定了「時鐘」的精確度,而原子鐘就具有這樣的優質特性。
原子鐘的誕生
20世紀30年代,美國哥倫比亞大學教授伊西多-拉比和他的學生們在實驗室裡研究原子和原子核的基本特性。在其研究過程中,拉比發明了一種被稱為磁共振的技術,依靠這項技術,他便能夠測量出原子的自然共振頻率,他還獲得了1944年諾貝爾獎。
次年,拉比提出這些共振頻率的準確性如此之高,完全可以用來製作高精度的時鐘。1949年,美國國家標準局公布了世界上第一個使用氨分子作為振動源的原子鐘。隨後1952年,第一個銫原子所謂振蕩源的原子鐘誕生。
1967年,在第十三屆度量衡大會上基於銫原子定義了1秒時間,人類從天文曆書時正式進入了原子時代。
原子鐘的原理
原子物理學中,我們知道原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差來吸收或釋放電磁能量的。當原子從一個「能量態」躍遷到更低的「能量態」時,就會釋放出電磁波。這種電磁波的頻率是不連續的,人們稱為共振頻率,也是原子鐘計時的依據。
同一種原子的共振頻率是一定的,在元素周期表中,目前被用於原子鐘的常見原子包括銫、銣、氫等鹼金屬。因為鹼金屬原子內部只有一價電子,較多價電子體系相對簡單。經過長期的實驗發現,銫原子又是這其中最為穩定的,最好的銫原子鐘達到2000萬年才相差 1 秒。銫133原子的共振頻率為每秒9192631770周。有了這一穩定的周期性物理量,通過使用雷射來測量出它的共振頻率,由此作為標準進行校正,就能實現精準的計時了。
為了更精確的時間測量,原子鐘必須完成對單個原子振蕩的跟蹤,換言之就是通過大量的原子求出其平均的振蕩頻率,才能得出相對穩定的數值。而麻省理工科研人員就在發現了當原子被糾纏時,它們的單個振蕩頻率將被收緊,與不被糾纏的原子相比,偏差較小。通過這種技術,原子鐘測量的平均振蕩將具有超出標準的精度,達到了所需精度的4倍。由此可大幅提升原子鐘的精確度。
由於採用了最為準確的衡量標準,原子鐘不僅在計時領域,在量子物理學、電學以及航空衛星定位等多個領域都有重要的運用。隨著科學技術和研究儀器的不斷更新,人類在對時間測量的探究歷程中不斷地變革出新,由宏觀世界逐漸走向微觀領域,由開始的「天文秒」到如今的「原子秒」,計時測量等精確度也在逐漸走向極限。