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科学|时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？( 三 )



科学|时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？
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图5 石英钟的工作原理丨图片来源: 亨吉利世界名表中心
现代时间基准的寻宝图
这三个方向也成为寻找时间准绳的寻宝图 。 按图索骥 ， 需要较大的频率 ， 人们将目标转向了电磁波；需要周期稳定 ， 人们开始在微观粒子的世界摸索；需要外界环境稳定 ， 人们开始研究低温物理甚至超冷物理 。 电磁波 ， 微观粒子 ， 低温这三者成为了时间标准的金科玉律 。 为了方便起见 ， 这样的“钟”下文统称为“微观粒子钟” 。 微观粒子钟很难让人们和普通的钟表联系起来 ， 实际上它们的外观也绝对不会让人联想到钟表 ， 而更像是科学实验室里的科学设备 。 不过从日晷到摆钟 ， 从水滴钟到石英表 ， 在文明的时间尺度来看 ， 计时工具从诞生起就没有一个统一的外表 。 这些微观粒子钟往往只是作为时间校准源 ， 而不是直接的授时源 。 直白来讲 ， 微观粒子钟的核心部件只会给出一个“节拍” ， 拍子的节奏十分稳定 ， 而且频率非常快 。 通过计数单位时间内的拍子数目来判断另一个正常的钟表是快了还是慢了 ， 然后由外围设备自动地矫正这个钟表 。 类似练习乐器时的节拍器为歌手提供节奏上的参考 。
从微波到光
“三驾马车”中我们先来谈谈电磁波 。 电磁波是一个大家族 ， 从无线电到γ射线 ， 频谱范围跨度极大 。 最早被用来做钟的是微波波段 。 微波波段的频率在百兆到百吉赫兹 ， 这个频率对应的时间周期在微秒到纳秒量级 。 比起石英表 ， 这个周期可以达到的精度极限更高 。 除此之外 ， 微波信号和现有的电子学相匹配 。 通过电路设备 ， 无论是比较频率 ， 还是计数周期数 ， 都在其所能达到的范围之内 。 微波谐振技术也提供了稳定的频率和较纯的微波源 。 这些也促成了微波原子钟成为微观粒子钟的先锋 。
但随着人们对计时精度要求的进一步提高 ， 百吉赫兹也显得捉襟见肘 。 人们开始向更高的波段探索 。 激光的出现使人们可以制备和微波源的性能可以匹配的可见光源 ， 因此利用光频段来制作微观粒子钟成为了更好的选择 。 光钟的频率在百太赫兹量级 ， 比起微波来更具优势 。 但是光钟的发展历程却并不是一帆风顺的 。 很长时间以来光钟研究的最大障碍是时间比对！得到稳定的微波 ， 用它作为信号源 ， 利用电子学上的一系列有力的工具 ， 就可以用这个信号源来校准时间 。 但是光频段的电子器件发展之路现在还是布满荆棘 。 就算得到了频率超级准确稳定的光源 ， 也很难用来校准其他时间信号 ， 很难在计时领域让它大展手脚 。 早期的研究为了实现光频段和较为成熟的微波频段的比对 ， 人们不得不使用许多级频率锁定设备 。 将微波频率使用电子学设备反复倍频 ， 将光源频率利用光学手段不断减半 ， 才勉强可以将两个频段范围迥异的电磁波锁定起来 。 其中技术难度大不说 ， 每一级操作都会增加系统的不稳定性 ， 引入额外的误差降低信号性能 。 直到光梳的出现才解决了这一问题 。 光梳就像是在频率上一只梳齿间距十分均匀的梳子 。 让人们可以横跨几个数量级将不同频段范围的信号直接相比较 。 至此使用光频段信号作为时间基准信号源的技术障碍被清除 。 目前世界上精度最高的计时工具就是光频段的原子钟——光钟！精度已经达到10-19次方量级 。
科学|时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？
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图6 电磁波的不同频谱丨图片来源: 维基百科电磁波谱词条
微观基准
找到了计时的节拍器 ， 下面更重要的就是要找到让节拍器可以保持稳定的东西 ， 那就是微观粒子了 。 微观粒子其基本性质不随外界环境变化而改变 。 描述很多微观粒子特性的物理学常量在现行的物理学框架中被认为是恒定不变的 。 此外最重要的是微观粒子中的电子运动规律由量子力学所支配 ， 电子在不同可能的运动轨道间跃迁时会辐射/吸收电磁波 。 电磁波的频率范围囊括了微波可见光到紫外频段 ， 可以很好地作为节拍器的校准源 。 只要通过一定的实验方案将微观粒子的跃迁谱线和现有的电磁波源锁定起来 ， 校准电磁波源 ， 就可以保证电磁波源的稳定和准确 。 但实际并不能这么理想 。 虽然微观粒子的状态不会受到外界环境的影响 ， 但是谱线也并不是纯粹的一种频率 。 由于量子涨落引起的自发辐射会使得谱线频率分布在一定的范围内 ， 而且微观粒子的运动带来的多普勒效应会使得频率存在一定的偏移 。 尽管有这些误差的存在 ， 微观粒子钟的精度已经得到了大大的提升 。 目前北京时间的授时就是经过原子钟校准的！希望进一步将时间精度推向极限 ， 就不得不解决自发辐射带和微观粒子运动的影响 。 元素周期表上有一百多种元素 ， 不同的元素可能还存在多种同位素 ， 每种核素分布着众多的电子能级轨道 。 将原子电离成离子 ， 组合成分子 ， 电子轨道就更加丰富了 。 自然界这些丰富的电子轨道结构 ， 给解决自发辐射的问题提供了丰富的选择——我们只需要寻找自发辐射尽可能弱的电子轨道 。 锶原子自旋单态和自旋三态之间的跃迁就是一个很合适的候选 ， 目前微观粒子钟的世界纪录也是由它实现的 。 而想减少微观粒子的运动比起减少自发辐射就要困难许多 ， 因为分子动理论告诉我们 ， 微观粒子的运动是自然界的普遍规律 。


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