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原子|热搜冷原子，让你涨知识

出品：科普中国
制作：徐琴芳（中国科学院国家授时中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
时间 ， 是表征物质运动的最基本物理量 ， 它以完美的线性和连续性展示着客观世界的变化 。 钟 ， 是人类为了精准度量时间而发明的仪器 ， 从日晷、沙漏、水钟、机械钟、石英钟、再到原子钟 ， 钟的发展 ， 体现着人类在探索自然奥妙过程中所展现出来的超高智慧 。
无论钟以何种形态呈现 ， 它都是以物体在特定条件下的振荡频率来刻画时间的长短 。 例如单摆 ， 如果摆动一次是一秒 ， 摆动100次就是100秒 。
那么 ， 迄今为止人们都用过什么样的钟表？它们的准确度又是怎样的？
从石英钟到原子钟：计时方式的精准化
人们发现当石英晶体受到电池的电力影响时 ， 就会产生规律的振动 ， 每振动2.3万次 ， 就会是1秒 ， 这就有了石英钟 。 目前 ， 最好的石英钟 ， 每天的计时能精准到十万分之一秒 ， 也就是经过差不多270年才差1秒 。
由于人们总想把时间计得更准 ， 如何将振荡频率记得更准 ， 以及如何将1秒划分得更精细 ， 成为了时钟技术的发展目标 。 于是具有更高精度的原子钟开始出现 。
量子物理发现 ， 原子内部存在着一些分立的能态 ， 当原子中电子从一个能态“掉落”到低能态时 ， 它便会释放电磁波 。 这种电磁波的特征频率对应了分立能态之间的能量差 ， 理想情况下是固定不变的 ， 又称为原子的固有共振频率 。 因此 ， 科学家们利用原子中电子能级跃迁时的共振频率作为精确的时间标准 ， 这就是所谓的原子钟 。 原子钟说到底就是利用原子中电子轨道做的原子单摆 。
在1963年召开的第13届国际计量大会上 ， 科学家们给1秒钟时间的长短下了定义 ， 即铯原子Cs-133基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒 。 这个标准一直沿用至今 。 目前铯原子钟的计时精度已达到3千万年不差1秒 ， 是国际计量局用以维持标准时间的主要基准钟 。
原子|热搜冷原子，让你涨知识
△图1 原子能级结构图
图片来源：作者提供
原子钟的计时原理：如何给怕热的原子降温？
正所谓 ， 只有安静下来才能看见真的自己 ， 同样 ， 只有安静的原子才能被探测到真的钟跃迁 。 常温状态下的原子做着无规热运动 ， 怎么样抓住原子 ， 取出精准的钟跃迁频率 ， 成为精密测量和控制的最大障碍 。 如何将不断运动的原子变慢 ， 甚至把速度降到零 ， 成了一个长久困扰科学家们的问题 。 原子的速度降到零 ， 就意味着把原子的温度降到绝对零度（约等于-273.15℃） 。 对人类来说 ， 0摄氏度的冰已经够冷了 ， 但是在原子看来 ， 这还是273.15 K的高温 。 因此 ， 给原子降温可不是一件容易的事 。
【原子|热搜冷原子，让你涨知识】1975年 ， 德国物理学家汉斯提出了一个设想——用激光降低原子的动能 ， 从而给原子制冷 。 最先验证汉斯设想的 ， 是美国物理学家朱棣文 。 他利用激光冷却技术 ， 实现了人类第一次对微观粒子的操控 。 1997年 ， 这位华裔科学家也因“开创了用激光冷却和捕获原子的方法”获得诺贝尔物理学奖 。
我们知道激光是一种能量很强的光 ， 具有热效应 ， 强激光可以击穿金属 ， 可以充当武器 ， 但现在却用激光冷却原子 ， 这 ， 是怎么做到的呢？
举个例子 ， 这里有一辆自由滑行的小车 ， 为了降低小车的速度 ， 我们可以不断地向小车扔石头 ， 小车受到石头的撞击后 ， 会把石头向四面八方弹出去 ， 在受到许许多多石头的撞击之后 ， 小车速度就减慢了 。
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△图2 小车受到石头撞击后减速示意图
图片来源：作者提供
同理 ， 在原子钟系统中 ， 我们朝着原子运动相反的方向射入一束激光 ， 原子吸收激光中的光子 ， 同时又随机从各个方向吐出这些光子 ， 每吸收一个光子 ， 原子的速度就会减慢一点 。 当然 ， 这个过程非常快 ， 每个原子每秒能够吞吐上亿个光子 ， 所以原子能在很短的时间内被减速下来 ， 这便是激光冷却原子的基本原理 。
虽然激光冷却原理简单 ， 但实验上的实现却存在诸多困难：比如 ， 在减速过程中 ， 原子实际上是根据自身能级结构有选择性地吸收确定频率的光子 ， 但是 ， 随着原子运动速度不断减小 ， 根据多普勒原理 ， 其感受到的激光频率也会相应变化 ， 因此 ， 我们需要连续补偿由多普勒效应造成的频移 ， 以防原子因脱离共振而停止减速 。
具体而言 ， 当对某种原子进行冷却时 ， 迎面发射一束频率比该原子固有频率稍低的激光 ， 对于这些原子而言 ， 这束激光的频率便会升高 ， 高到刚好等于该原子的固有频率时 ， 原子便能得到减速 。
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△图3热原子在塞曼减速器中减速示意图
图片来源：作者提供
“守时”冠军：160亿年仅误差一秒的锶原子光钟
由于铯原子的跃迁频率在微波波段 ， 计时精度最终受限于振荡频率 ， 而工作在光学波段的光钟具有更好的稳定度和准确度潜力 ， 因此国际上利用冷原子技术制造了最精确的原子钟——锶原子光钟 ， 其精度已经达到160亿年才误差1秒 。
中国科学院国家授时中心的锶原子光钟实验小组从2008年开始开展了对锶原子光钟的研究 。 这里的科研人员每天特殊着装 ， 在超净实验室里摆弄这些“看不见摸不着”的原子 。
启动激光器后 ， 科研人员紧盯着真空腔里的变化 。 不到1秒钟的时间 ， 在真空腔中心闪现出一个直径5毫米的蓝色小球 。 它就是激光冷却囚禁住的原子 ， 这团发着光的小球里大约汇聚了1亿个锶原子 。
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△图4激光冷却俘获的锶冷原子团
图片来源：作者提供
在锶原子光钟的具体实验中 ， 真空中的一束锶原子先是被迎面而来的激光束第一次减速 ， 然后再被引入6束激光和磁场构建的一个阱——磁光阱 。 在磁光阱中的锶原子受到了两种力 ， 一种力是把原子拉向对称中心以免逃走 ， 另外一种力是粘滞力 ， 使原子运动得更慢 。
经过这两番折腾 ， 狂热的原子这个时候已经筋疲力尽了 。 但此时的原子还具有很高的密度 ， 且受重力影响 ， 使得他们并非处于一个“无扰”的状态 。 因此 ， 我们用一个叫“魔术波长”的激光 ， 构建一个驻波场 ， 这些驻波等同于一系列周期排布的小格子 ， 把原子一个个囚禁在里面 ， 从而使得冷原子之间处于“互不干扰”的状态 。
这样的小格子有一个好听的名字——光晶格 。 被光晶格囚禁住的冷原子具有更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱 ， 进一步提高了光钟的计时精度 。 当然这个格子很小 ， 只有那个魔术波长光的波长那么大 ， 也就是八百多纳米 。 所谓魔术波长 ， 是因为这个波长的光不会影响钟跃迁的频率 ， 而其他波长的光都会有较大影响 ， 是不是真的有那么点魔术的意味？
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△图5磁光阱和光晶格
图片来源：作者提供
我们知道 ， 光钟的钟跃迁频率很高 ， 每秒钟振荡就高达几百万亿次 。 晕 ， 这能数得过来吗？数不过来的话又有什么用啊？
不过 ， 这个问题难不倒聪明的科学家 。 1999年 ， 德国科学家汉斯提出并发明了一种用来量光学频率的尺子 ， 光谱看起来神似一把梳子 ， 美其名曰“光梳” 。 这把梳子的每一个齿 ， 都是一个频率确定的激光 。 利用这把梳子还能把频率极高的钟跃迁探测激光的稳定性传递到射频段 。 现代的电子学设备 ， 能很精准地数出射频的频率 ， 从而使得锶原子光钟的极高稳定性能得到更广泛的应用 。 科学家汉斯也因此获得2005年诺贝尔物理学奖 。
为什么原子钟要不断追求精确？
在日常生活中 ， 时间精确到秒足以满足我们所需 ， 但是对于其他方面 ， 比如体育竞技赛事中百分之一秒的差距就决定胜负 ， 炮弹的发射在千分之一秒内发生的 ， 时间测量要精确到0.001秒 ， 雷达技术甚至需要精确到百万分之一秒 。
在人类探索更深层次的自然规律、进行基础科学研究的过程中 ， 则更需要高精度的时间保障 。 如里德堡常数的测量、精细结构常数α的稳定性测量、朗德因子g的测量、引力红移的测量、引力波探测等 ， 其精度都直接取决于时间频率的测量精度 。 爱因斯坦的相对论 ， 也是在有了原子钟后才被验证是正确的 。
目前 ， 时间标准已经被广泛地应用到北斗导航系统、GPS导航系统、天文导航、高速数字通信等领域 。 高精度的原子钟为国防 ， 军事 ， 乃至国际安全提供了高精度的时间保障 。
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