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原子|热搜冷原子，让你涨知识( 二 )


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“守时”冠军：160亿年仅误差一秒的锶原子光钟
由于铯原子的跃迁频率在微波波段 ， 计时精度最终受限于振荡频率 ， 而工作在光学波段的光钟具有更好的稳定度和准确度潜力 ， 因此国际上利用冷原子技术制造了最精确的原子钟——锶原子光钟 ， 其精度已经达到160亿年才误差1秒 。
中国科学院国家授时中心的锶原子光钟实验小组从2008年开始开展了对锶原子光钟的研究 。 这里的科研人员每天特殊着装 ， 在超净实验室里摆弄这些“看不见摸不着”的原子 。
启动激光器后 ， 科研人员紧盯着真空腔里的变化 。 不到1秒钟的时间 ， 在真空腔中心闪现出一个直径5毫米的蓝色小球 。 它就是激光冷却囚禁住的原子 ， 这团发着光的小球里大约汇聚了1亿个锶原子 。
原子|热搜冷原子，让你涨知识
△图4激光冷却俘获的锶冷原子团
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在锶原子光钟的具体实验中 ， 真空中的一束锶原子先是被迎面而来的激光束第一次减速 ， 然后再被引入6束激光和磁场构建的一个阱——磁光阱 。 在磁光阱中的锶原子受到了两种力 ， 一种力是把原子拉向对称中心以免逃走 ， 另外一种力是粘滞力 ， 使原子运动得更慢 。
经过这两番折腾 ， 狂热的原子这个时候已经筋疲力尽了 。 但此时的原子还具有很高的密度 ， 且受重力影响 ， 使得他们并非处于一个“无扰”的状态 。 因此 ， 我们用一个叫“魔术波长”的激光 ， 构建一个驻波场 ， 这些驻波等同于一系列周期排布的小格子 ， 把原子一个个囚禁在里面 ， 从而使得冷原子之间处于“互不干扰”的状态 。
这样的小格子有一个好听的名字——光晶格 。 被光晶格囚禁住的冷原子具有更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱 ， 进一步提高了光钟的计时精度 。 当然这个格子很小 ， 只有那个魔术波长光的波长那么大 ， 也就是八百多纳米 。 所谓魔术波长 ， 是因为这个波长的光不会影响钟跃迁的频率 ， 而其他波长的光都会有较大影响 ， 是不是真的有那么点魔术的意味？
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△图5磁光阱和光晶格
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我们知道 ， 光钟的钟跃迁频率很高 ， 每秒钟振荡就高达几百万亿次 。 晕 ， 这能数得过来吗？数不过来的话又有什么用啊？
不过 ， 这个问题难不倒聪明的科学家 。 1999年 ， 德国科学家汉斯提出并发明了一种用来量光学频率的尺子 ， 光谱看起来神似一把梳子 ， 美其名曰“光梳” 。 这把梳子的每一个齿 ， 都是一个频率确定的激光 。 利用这把梳子还能把频率极高的钟跃迁探测激光的稳定性传递到射频段 。 现代的电子学设备 ， 能很精准地数出射频的频率 ， 从而使得锶原子光钟的极高稳定性能得到更广泛的应用 。 科学家汉斯也因此获得2005年诺贝尔物理学奖 。
为什么原子钟要不断追求精确？
在日常生活中 ， 时间精确到秒足以满足我们所需 ， 但是对于其他方面 ， 比如体育竞技赛事中百分之一秒的差距就决定胜负 ， 炮弹的发射在千分之一秒内发生的 ， 时间测量要精确到0.001秒 ， 雷达技术甚至需要精确到百万分之一秒 。
在人类探索更深层次的自然规律、进行基础科学研究的过程中 ， 则更需要高精度的时间保障 。 如里德堡常数的测量、精细结构常数α的稳定性测量、朗德因子g的测量、引力红移的测量、引力波探测等 ， 其精度都直接取决于时间频率的测量精度 。 爱因斯坦的相对论 ， 也是在有了原子钟后才被验证是正确的 。
目前 ， 时间标准已经被广泛地应用到北斗导航系统、GPS导航系统、天文导航、高速数字通信等领域 。 高精度的原子钟为国防 ， 军事 ， 乃至国际安全提供了高精度的时间保障 。
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