徐寧

石英晶體通電后產(chǎn)生的規(guī)律振動可以作為計時的依據(jù)。

一秒有多長？

計時工具的精度與科技并肩提升。日晷將一天分割為若干個時或時辰，機械鐘進一步將一天分割成1440分或86400秒。作為計時工具，不同廠家制造的鐘表必須用同一個計時標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)，因此，人們想到了地球的自轉(zhuǎn)。然而，地球每自轉(zhuǎn)一圈所需的時間都會比上一圈增加幾微秒，也就是說，地球會越轉(zhuǎn)越慢，1秒也會變得越來越長。這樣看來，天體運行并不適合作為計時標(biāo)準(zhǔn)。

1927年，石英鐘問世了?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，切割成特殊尺寸的石英晶體在通電后能以固定頻率振動，即每秒32 768個周期。因為這個頻率值是2的整數(shù)次冪（2¹⁵），所以二進制計數(shù)芯片可以很容易處理它：計數(shù)芯片每數(shù)32768次振動，就產(chǎn)生1赫茲電信號，讓秒針向前移動一格。

原子秒到來

可即便已經(jīng)十分精準(zhǔn)的石英鐘依然存在不足：溫度和壓力的變化會稍稍改變石英晶體的振動頻率，這種誤差讓石英鐘無法滿足量子物理實驗和電視直播等領(lǐng)域?qū)τ嫊r精度的嚴格要求。因此，發(fā)明精度更高的計時工具成了當(dāng)務(wù)之急。

1955年，英國科學(xué)家埃森和帕里制造出了第一臺銫原子鐘。當(dāng)處于特定頻率的微波輻射下時，銫原子的電子會在不同能級之間反復(fù)躍遷，并產(chǎn)生振動頻率固定的電磁波，其頻率不但遠超石英晶體的頻率，而且同種原子的同一種躍遷釋放的電磁波頻率是固定的。以這種固定頻率電磁波作為諧振子的計時工具將實現(xiàn)前所未有的超高計時精度。事實也的確如此：埃森和帕里制造的這臺原子鐘，每300萬年誤差僅為1秒。雖然這臺原子鐘的設(shè)計目的只是為了校準(zhǔn)石英鐘，并且只能運行幾天，但是埃森和帕里相信，原子鐘能夠提供比天體運行或石英鐘更準(zhǔn)確的時間參考。他們甚至發(fā)出了“天文秒已死，原子秒到來”的感慨。

1960年，國際度量衡大會對1秒的定義為：1960年地球自轉(zhuǎn)一周所需時間的1/86400。然而這個標(biāo)準(zhǔn)只使用了7年。在1967年召開的第13屆國際度量衡大會上，與會代表同意將1秒的官方定義更改為“銫原子133同位素基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射周期的9192631770倍的時間”。該定義所采用的原子鐘的躍遷頻率在微波頻段，因此這種原子鐘也被稱為微波鐘。

從微波鐘到光鐘

科學(xué)家很久以前就發(fā)現(xiàn)，銫的躍遷頻率還不是最高的，鐿或鍶的躍遷頻率比銫高4～5個數(shù)量級。如果以鐿或鍶作為原子鐘的核心，那么原子鐘的計時精度將進一步提升。由于鐿或鍶的躍遷頻率處于光學(xué)頻段，這類原子鐘也被稱為光學(xué)原子鐘（簡稱“光鐘”）。目前最先進的光鐘——Yb-2，可以達到運行200億年誤差不超過1秒的計時精度。

光鐘在為計時精度帶來飛躍的同時，也引出了新問題：它的計時精度已經(jīng)大大超過對時間的現(xiàn)有定義。在預(yù)計于2026年召開的下一屆世界度量衡大會上，來自全世界的科學(xué)家代表將投票表決是否更改現(xiàn)有的時間定義。

新時間標(biāo)準(zhǔn)的確定取決于采用什么類型的光鐘。目前全世界正在研發(fā)的新型光鐘不下10種。光鐘之間的區(qū)別不僅在于其內(nèi)部元素，更在于其所采用的設(shè)計架構(gòu)。其中一種較為領(lǐng)先的設(shè)計架構(gòu)是光晶格原子鐘，其原理是同時測量約1萬個中性原子的躍遷頻率，以獲得穩(wěn)定且靈敏的讀數(shù)。Yb-2就屬于光晶格原子鐘。另一種設(shè)計架構(gòu)是單陷阱離子原子鐘，通過測量處于隔離狀態(tài)的單個帶電離子的躍遷頻率計時。

YB-2光學(xué)原子鐘

芯片化的原子鐘可以搭載在人造衛(wèi)星等設(shè)備上。

那么，超高精度的原子鐘有什么用呢？畢竟，如果只是看個時間，我們并不需要千萬億分之一秒或更高的精度。其實，高精度原子鐘的用途非常廣泛，其中和我們關(guān)系最密切的是衛(wèi)星定位系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有定位衛(wèi)星內(nèi)置高精度的銫原子鐘。原子鐘的精度越高，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。我們使用的寬帶網(wǎng)絡(luò)需要原子鐘提供時間標(biāo)準(zhǔn)，帶寬越高則對原子鐘的要求也越高。此外，對地震的及時預(yù)測，乃至深空觀測，都需要超高精度的原子鐘。