數億年誤差不超1秒！誰賦予原子鐘“可怕”的精確性？

　　原子鐘的原理到底是什么？其具體運行原理又是怎樣的？

　　這是大家看新聞時經常遇到的問題，而今年，關于我國各種原子鐘取得新進展的新聞恰好又很多。例如：

　　目前商用的銣原子鐘秒級穩定度通常在E-11到E-12量級水平，而在今年一月，據媒體報道，我國研制的新型銣原子鐘在秒級頻率穩定度這個核心指標上，首次進入了E-14量級，即百萬億分之一。

　　同樣在今年一月，據媒體報道，我國科研團隊成功研制出萬秒穩定度和不確定度均優于5×10-18（相當于數十億年的誤差不超過1秒）的鍶原子光晶格鐘。

　　2016年發射的中國墨子號量子科學實驗衛星，而正在研制，未來將要發射的中高軌量子衛星將搭載精度更高的原子鐘。

　　1. 怎么定義鐘的精確性？

　　在說原子鐘之前，我們不妨先來思考這樣一個問題：怎么定義一種鐘的精確性？

　　答案是：當這種鐘把時間劃分得越細，則得到的時間就越精確。

　　例如：若把地球公轉作為一種鐘，則其精度就是“年”；

　　同理，若把月球繞地球轉作為一種鐘，則其精度就是“月”；若把地球自轉看作是一種鐘，則其精度就是“天”。

　　顯然，你會承認這樣一個事實：“地球自轉鐘”的精度遠高于“地球公轉鐘”。因為前者能將時間一天一天地劃分出來，而后者只能將時間一年一年地劃分出來。

　　2. 鐘的頻率是關鍵因素

　　“地球公轉鐘”的頻率是一年一次，而“地球自轉鐘”的頻率則是一年大約365次。后者精度更高。

　　以上事實告訴我們，只要能找到頻率更高，且重復性更好的“東西”，然后將這個“東西”作為鐘就行了。

　　那么，什么東西的變化頻率很大呢？

　　1880年，科學家發現石英具有壓電效應——在一塊石英材料中施加壓力，就會產生電流。

　　那么反過來又會怎樣？

　　反過來也成立，只要在一塊石英中施加電場，則其會產生振動。這就是“逆壓電效應”。

　　那么，受到電場影響的石英，其振動頻率又是多少呢？答案是不確定，因為石英的切割形狀不同，其頻率也不同。

　　然而，一種最經典的切割形狀所對應的頻率為32768赫茲，也就是1秒內要振動32768次。

　　因此，我們只要確保“切割形狀”相同，就能得到一個固定頻率了。

　　于是，我們得到了石英鐘。

　　石英鐘，圖片來自Wikipedia

　　石英鐘出現后，人類將時間細分的能力又上升了一大步。把1秒分成了32768等份，這比起“地球自轉鐘”不知道精準了多少倍。

　　為了進一步攀登精準的“高峰”，科學家們將目光射向了原子內部！

　　3. 量子力學來幫忙

　　電子在原子核外面的運動，按照傳統形象的說法，電子運動在一條“軌道”上，跟宏觀世界不同的是，電子并不是永遠只在一條軌道上運動，有時候它會從一條軌道“跑到”另一條軌道上，在量子力學上這被稱為“躍遷”。

　　原子具有不同的“能級”，這是由核外電子所處軌道的不同決定的。也就是說，當電子處在一條軌道上的時候，原子處在一個能級上，當電子躍遷到另一條軌道上時，原子又處在另一個能級上。

　　原子的兩個能級之間會有能量差，這里的能量差是恒定不變的，我們用“△W”來代替。

　　當核外的電子吸收了的來自外部的△W能量后，電子會躍遷到另一條軌道上。

　　反之，如果電子從這條軌道返回原來的軌道，它將“吐出”原來吸收的△W能量。

　　這里的△W能量其實就是電磁波，而電磁波的能量不同，其頻率也不同。

　　再有就是，不同的原子，其能級之間的能量差也不同。而能量差本來就是電磁波，所以我們可以檢測原子放出的特定電磁波來識別不同的原子。

　　最后，電子在兩個不同能級間躍遷時，吸收或者輻射“一份”相同的能量差時，這個能量差相對其他東西，其更不容易因為環境的改變而改變。

　　可以這么說，當環境溫度、濕度、磁場等條件基本固定的情況下，能量差是恒定的，無論是過了10億年，還是過了1000億年，它都不會變，因為它是原子自身的固有屬性。

　　銫有多種同位素，比如銫-133，銫-137。而這里，我們將要說的主角就是銫-133。

　　高純度銫-133儲存在氬氣中，圖片來自Wikipedia

　　作為第55號元素的銫，它的原子核外有55個電子。所以不難理解，銫原子的能級有很多種，且很復雜。

　　不過這沒有任何關系，因為銫原子鐘使用的是最外層電子，而最外層又只有一個電子，運行在相對獨立的軌道上。其能級躍遷最為容易識別。

　　那么，銫原子最外層這個電子的能級躍遷，其吸收或者放出的電磁波，其頻率到底是多少？

　　答案是9192631770赫茲。

　　石英鐘能把1秒細分成32768份，這種時間上的精確度還不足于使用在衛星定位上。

　　然而，當我們有能力把1秒平均切分成9192631770份后，也就是大約92億份后，我們就有足夠的精確度了。

　　4. 原子鐘的大體運行原理

　　簡化來說是這樣的：

　　第一步：準備銫原子

　　我們先要弄出一大群能級相同的銫原子，這個較為容易做到，通常是通過加熱銫金屬并讓其蒸發成氣態來實現。

　　第二步：真空管封閉傳輸

　　這一大群銫原子被引導通過一個真空管道，這個管道是密閉的，以防原子與外界環境交互，從而影響到它們的能級狀態。

　　第三步：微波輻射

　　在管道中，科學家們用特定頻率的微波（電磁波的一種）照射這些原子。只有當微波的頻率與銫原子的超精細結構躍遷頻率精確匹配，也就是大約9192631770赫茲時，銫原子才會吸收這些微波并從一個超精細能級躍遷到另一個能級。

　　第四步：檢測信號

　　當銫原子吸收了微波并完成躍遷后，它們會在某個點上返回到原來的能級，并重新釋放之前吸收的能量，同樣還是以電磁波的形式。

　　這個釋放的電磁波信號可以被檢測到，從而證實之前發射的微波頻率確實是9192631770赫茲。

　　第五步：頻率的精準控制

　　通過不斷調整微波的頻率并檢測銫原子是否發生躍遷，人類就可以非常精確地確定并控制微波頻率了。

　　總結以上，你可以認為原子鐘的原理其實是一個“雙重確認”的過程，即：

　　我們雖然在努力發射頻率為9192631770赫茲電磁波，然而，你怎么確定，你發射的電磁波就是這個頻率呢？我們并不知道。

　　這需要一個確認的過程。

　　所以，只能不斷調試，然而，在某刻，我們接收到大量銫原子發生躍遷后而發射出來的強烈信號時，我們就確定了這么一個事實：

　　我們發射的電磁波，它的頻率真的就是9192631770赫茲。

　　這個頻率對應的就是1秒內產生了9192631770個周期，通過電子計數器對周期進行計數，每當發生9192631770個周期后，秒鐘就跳動一下。

　　每當電子計數器，其計數了4596315885次，那就代表時間經過了0.5秒。

　　以上，就是銫原子鐘的基本原理。

　　5. 用“跳繩”解釋

　　實際上，我們還可以用“跳繩”來理解原子鐘的原理。

　　在跳繩中，兩個人把著繩子的兩端，以一定頻率一圈一圈地揮動繩子，如果這個頻率是1秒1圈，則跳繩的人也必須是這個頻率跳動，即1秒跳1次，否則不久就會失敗。

　　如果揮動繩子的頻率是9192631770赫茲，則跳繩的人也必須是1秒跳9192631770次，這樣就合拍起來了。

　　假如世界上真有一些人，他們能不吃不喝，且能在特定條件下恒定不變地以每秒跳動9192631770次，那我們大可不必舍近求遠，去找什么銫原子來幫忙，直接使用這些人就行了。

　　可惜的是，地球上沒有哪種人，也沒有哪種人造物能在特定條件下，以如此恒定不變的周期跳動。

　　因此，這里的銫原子其實就相當于在特定條件下能以恒定不變周期跳動的那些“跳繩人”。

　　而我們向銫原子發射的電磁波，其實就相當于揮動繩子的那兩個人。如果兩者節奏合拍，則我們可以斷定，1秒內，人為揮動繩子的頻率為9192631770次。

　　跳繩的那些人，我們不能方便地對其計數，不過沒關系，我們只要使用先進的“電子計數器”計數揮動繩子的次數就可以了。

　　綜上，我們還可以這么說：

　　使用極為先進的基于分頻技術和高速計數器芯片的“電子計數器”，我們能在1秒內計數百億次以上，然而，我們不能將它作為時鐘來使用。

　　因為你這次雖然計數了920億次，但你這次可能是在10.1秒計數完成的。下次，你又計數了920億次，你又可能是在9.9999秒完成的。

　　所以，最大的問題是，如何確保每次持續的計數都是在相同的時間內計數了相同的次數呢？

　　無法確保，因為你沒有一個恒定不變的參照物。于是，就使用銫原子固定不變的屬性來作為參照物即可。