用原子來計時

我們平時所用的鐘表,，在一段時間內都會變快或者變慢。比如人類早期的機械鐘擺,，每天會有15秒的誤差,；現在廣泛使用的石英鐘，每天一般會有1秒的誤差,，這對日常生活是沒有影響的,。但是，如果要應付要求很高的工業(yè)生產和科學研究,，這些鐘表就不能勝任了,，我們還需要更加精確的時鐘。經過長時間的探索,，物理學家們想到了利用原子躍遷來計時,，而相應的鐘表就是所謂的原子鐘。

根據原子物理學的基本原理,，離原子核越近的電子受到的核力也越大,，其動能也越高。同理,，離核越遠的電子,，受到的核力就越小，其動能就越低,。遠近不同的電子排列成不同的能量層級,，不同層級之間產生能量差。

在外界作用下（比如光照）,，不同層級之間的電子會發(fā)生轉移,，原子的外層電子從低能級轉移到高能級的過程中會吸收能量；從高能級轉移到低能級則會釋放能量,。這種電子的層級轉移被稱為躍遷,。

當原子中的電子從一個“高能量態(tài)”躍遷至“低能量態(tài)”時，它便會釋放非常穩(wěn)定的電磁波,。這種電磁波的頻率是不連續(xù)的,，具有許多特定的值，這也就是我們所說的共振頻率,?？紤]到原子的共振頻率都很高，比如標準銫原子的共振頻率為9192631770赫茲,，也就是說其原子在1秒鐘之內會躍遷近92億次,，只要我們利用一系列精密的儀器控制原子并捕捉共振頻率，我們就可以制作出非常精確的原子鐘了,。

“鍶原子光晶格鐘”

自1950年以來,，世界上最精確的時鐘都是基于氫、銫,、銣等元素的原子鐘,，它們的精度可以達到每數百萬年才誤差1秒。然而,，物理學家們仍在繼續(xù)改進著原子鐘,，以期進一步提高精度。最近,，美國科羅拉多大學的物理學家就取得了重大突破,，他們在《自然》雜志發(fā)表文章，宣布了世界上最為精確的時鐘——“鍶原子光晶格鐘”問世,。

“鍶原子光晶格鐘”與普通原子鐘有很大的區(qū)別,。普通的原子鐘，比如銫原子鐘,，僅依靠少數原子在兩能級之間的躍遷進行操作,，而且激發(fā)原子躍遷所用的電磁波都是不可見的微波?！版J原子光晶格鐘”則不同,，在“鍶原子光晶格鐘”內，科學家使用紅色激光（被稱為“俘獲激光”）將數千個鍶原子固定在真空腔室的特定位置（就好像晶體中的原子被固定在了晶格上一樣）,，然后利用另一束藍色激光（被稱為“時鐘激光”）激發(fā)它們,，使之產生躍遷。此時,，“鍶原子光晶格鐘”便通過測量這數千個鍶原子躍遷所產生“閃光”的頻率來確定時鐘的“嘀嗒聲”,。

2014年，科羅拉多大學物理學家們提交的實驗報告稱,，相比于銫原子鐘每秒90億次的原子躍遷速率,，這種“鍶原子光晶格鐘”的“嘀嗒”頻率達到了驚人的每秒430萬億次，這意味著時鐘的精確度將達到新高——在50億年的時間里，不慢一秒,，也不快一秒,。

新的突破

到目前為止，地球的年齡為46億年左右,，如果“鍶原子光晶格鐘”從地球誕生時就存在了,，那么直到今天該時鐘仍然能夠保持足夠的精確度。不過,，科羅拉多大學的物理學家們隨后又進行了一系列的優(yōu)化,，使“鍶原子光晶格鐘”能在整個宇宙歲月里不慢一秒。

由于鍶原子的躍遷所產生“閃光”會受到原子周圍環(huán)境的影響,，比如,，無線電波會使鍶原子“閃光”的波長發(fā)生輕微移動，而溫度也會干擾鐘表的“嘀嗒”頻率,?？紤]到這些問題，物理學家們采取了一些改進方法來保護鍶原子,。比如,，他們?yōu)殒J原子腔室安裝了防輻射屏蔽，同時測量了溫度對鍶原子共振頻率產生的影響并設法通過計算來將其消除,，另外,，物理學家們對激光網格圍困鍶原子的方式做了改進，以確保紅色激光不會干擾到鐘表對于原子“嘀嗒”頻率的捕獲,。

2015年,，這些調整使“鍶原子光晶格鐘”以3倍的成績打破了2014年的記錄——精度達到了150億年誤差1秒，這個時間跨度甚至已經超過了宇宙的年齡,。

不只是“計時”

“鍶原子光晶格鐘”的技術當然可以用來制作更加精確的手表,，但也許有人會問，人生無常,，一輩子也就短短100年時間,，要一塊150億年才走偏1秒的手表又有何用。其實,，物理學家們早已看到了“鍶原子光晶格鐘”的一些更有趣而且更有價值的用途,。

比如，我們常常需要使用GPS衛(wèi)星來定位,，但GPS衛(wèi)星是動態(tài)的,，不同的時間對照不同的星空，如果時間有誤差,，其定位精度會受到影響,，所以“鍶原子光晶格鐘”的高精確度必然會對于天文,、航海、宇宙航行的導航有所助益,。

又比如,，根據廣義相對論，時間流逝的速度取決于重力的大小,，重力越大,，時間的流逝就越慢,。而地球各處的重力并不是完全相等的,，所以在地球上的各個地方，時間并不是以相同的快慢度過的,，普通的鐘表對此并不敏感,，但“鍶原子光晶格鐘”卻能感受到這微小的差異?？屏_拉多大學的物理學家們做了一個實驗,，如果把“鍶原子光晶格鐘”從桌子上移到地面，鐘表就會跑得更慢,，僅僅是因為它更靠近了地面大約1米的距離,。物理學家們認為，這可以用來檢測由于地面以下存在不同物質（當然其密度也就不同）所產生的重力的微妙改變,，這樣的話,，“鍶原子光晶格鐘”可以幫助我們勘探一座金礦、石油礦或者地下水資源,。

至于更深遠的意義,，科羅拉多大學的物理學家們還設想到了探測引力波的可能性。這是由愛因斯坦所預言的關于時間的“漣漪”——它們從未被直接檢測到,，但它們或許會“沖刷”到“鍶原子光晶格鐘”,。還有，暗物質也可能能夠以類似的方式來檢測,，當然,，這還需要物理學家們進一步探索下去。