精准计时的历史 从微波钟到光钟

精准计时的历史 从微波钟到光钟

我们首先来看一个问题:一秒有多长?

计时工具的精度与科技并肩提升。日晷将一天分割为若干个时或时辰,机械钟进一步将一天分割成1440分或86400秒。作为计时工具,不同厂家制造的钟表必须用同一个计时标准校准,因此,人们想到了地球的自转。然而,地球每自转一圈所需的时间都会比上一圈增加几微秒,也就是说,地球会越转越慢,1秒也会变得越来越长。这样看来,天体运行并不适合作为计时标准。

1927年,石英钟问世了。科学家发现,切割成特殊尺寸的石英晶体在通电后能以固定频率振动,即每秒32768个周期。因为这个频率值是2的整数次幂(215),所以二进制计数芯片可以很容易处理它:计数芯片每数32768次振动,就产生1赫兹电信号,让秒针向前移动一格。

原子秒到来可即便已经十分精准的石英钟依然存在不足:温度和压力的变化会稍稍改变石英晶体的振动频率,这种误差让石英钟无法满足量子物理实验和电视直播等领域对计时精度的严格要求。因此,发明精度更高的计时工具成了当务之急。

1955年,英国科学家埃森和帕里制造出了第一台铯原子钟。当处于特定频率的微波辐射下时,铯原子的电子会在不同能级之间反复跃迁,并产生振动频率固定的电磁波,其频率不但远超石英晶体的频率,而且同种原子的同一种跃迁释放的电磁波频率是固定的。以这种固定频率电磁波作为谐振子的计时工具将实现前所未有的超高计时精度。事实也的确如此:埃森和帕里制造的这台原子钟,每300万年误差仅为1秒。虽然这台原子钟的设计目的只是为了校准石英钟,并且只能运行几天,但是埃森和帕里相信,原子钟能够提供比天体运行或石英钟更准确的时间参考。他们甚至发出了“天文秒已死,原子秒到来”的感慨。

精准计时的历史 从微波钟到光钟

1960年,国际度量衡大会对1秒的定义为:1960年地球自转一周所需时间的1/86400。然而这个标准只使用了7年。在1967年召开的第13届国际度量衡大会上,与会代表同意将1秒的官方定义更改为“铯原子133同位素基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射周期的9192 631770倍的时间”。该定义所采用的原子钟的跃迁频率在微波频段,因此这种原子钟也被称为微波钟

从微波钟到光钟科学家很久以前就发现,铯的跃迁频率还不是最高的,镱或锶的跃迁频率比铯高4~5个数量级。如果以镱或锶作为原子钟的核心,那么原子钟的计时精度将进一步提升。由于镱或锶的跃迁频率处于光学频段,这类原子钟也被称为光学原子钟(简称“光钟”)。目前最先进的光钟——Yb-2,可以达到运行200亿年误差不超过1秒的计时精度。

光钟在为计时精度带来飞跃的同时,也引出了新问题:它的计时精度已经大大超过对时间的现有定义。在预计于2026年召开的下一届世界度量衡大会上,来自全世界的科学家代表将投票表决是否更改现有的时间定义。

新时间标准的确定取决于采用什么类型的光钟。目前全世界正在研发的新型光钟不下10种。光钟之间的区别不仅在于其内部元素,更在于其所采用的设计架构。其中一种较为领先的设计架构是光晶格原子钟,其原理是同时测量约1万个中性原子的跃迁频率,以获得稳定且灵敏的读数。Yb-2就属于光晶格原子钟。另一种设计架构是单陷阱离子原子钟,通过测量处于隔离状态的单个带电离子的跃迁频率计时。

精准计时的历史 从微波钟到光钟

那么,超高精度的原子钟有什么用呢?毕竟,如果只是看个时间,我们并不需要千万亿分之一秒或更高的精度。其实,高精度原子钟的用途非常广泛,其中和我们关系最密切的是卫星定位系统和网络。现有定位卫星内置高精度的铯原子钟。原子钟的精度越高,定位结果越准确。我们使用的宽带网络需要原子钟提供时间标准,带宽越高则对原子钟的要求也越高。此外,对地震的及时预测,乃至深空观测,都需要超高精度的原子钟。

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