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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 。
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？
【原子|热搜冷原子，让你涨知识】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


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