關(guān)于“原子鐘”精密設(shè)備的10個(gè)奇妙事實(shí)

“原子鐘”這個(gè)詞可能會(huì)讓人聯(lián)想起20世紀(jì)50年代恐怖電影中的畫面：一個(gè)穿著白大褂的瘋子科學(xué)家建造了可怕的末日裝置，上面的時(shí)鐘正滴答滴答地走著，即將毀滅我們的整個(gè)星球。但實(shí)際上，相比其他與原子有關(guān)的發(fā)明——比如原子彈——原子鐘可以說是相當(dāng)“溫和”。

不過，與原子彈不同的是，原子鐘既不會(huì)分裂原子，也不會(huì)爆炸，而是使用原子振蕩頻率標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算并保持時(shí)間的準(zhǔn)確。由于原子振蕩所涉及的時(shí)間單位非常小（如銫原子的振蕩頻率為每秒9，192，631，770個(gè)周期），而且異常穩(wěn)定，以這種振蕩來(lái)估算時(shí)間的時(shí)鐘要比老式時(shí)鐘準(zhǔn)確得多。

自20世紀(jì)40年代發(fā)明以來(lái)，原子鐘已經(jīng)成為現(xiàn)代世界的重要工具之一，使得電視廣播、互聯(lián)網(wǎng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)之間的時(shí)間同步成為可能。不過，盡管原子鐘已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的一部分，但它仍然有點(diǎn)神秘。以下就是關(guān)于這些精密設(shè)備的10個(gè)奇妙事實(shí)。

1。 原子鐘改變了我們計(jì)算常規(guī)時(shí)間單位的方式

幾千年前，當(dāng)人類開始追蹤時(shí)間的流逝時(shí)，主要依靠觀察太陽(yáng)在天空中的運(yùn)動(dòng)——實(shí)際上是由地球的自轉(zhuǎn)引起的——并以此為基礎(chǔ)來(lái)確定單位時(shí)間。例如，傳統(tǒng)上1秒鐘就被定義為平均太陽(yáng)日的1/86400（在一些天文及法律的定義中仍然適用）。

然而，隨著原子鐘的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)它比地球本身的運(yùn)動(dòng)要可靠得多，因此單位時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)有必要做出改變。1967年，秒被重新定義為同位素銫-133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射振蕩9，192，631，770個(gè)周期所需要的時(shí)間。

2。 原子鐘使用每個(gè)銫原子中的一個(gè)電子來(lái)計(jì)時(shí)

電子繞著原子的中心運(yùn)轉(zhuǎn)正如前面所解釋的，電子繞原子的中心運(yùn)行，而這個(gè)中心就是原子核。想象一個(gè)極小的太陽(yáng)系，有很多行星圍繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，就相當(dāng)于大致的原子結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，電子的運(yùn)動(dòng)極為規(guī)律——它們往往停留在一個(gè)狹窄的軌道范圍內(nèi)，與原子核的距離取決于它們?cè)谀骋惶囟〞r(shí)刻發(fā)出的輻射。電子進(jìn)入的最低軌道和最高軌道之間的距離就是頻率。

以用于原子鐘的銫為例，科學(xué)家只關(guān)注該元素55個(gè)電子中的一個(gè)，即最外層的那個(gè)電子，它所占據(jù)的軌道明顯高于其他電子。最外層電子離原子核最近的軌道和它離原子核最遠(yuǎn)的軌道之間的能量差相當(dāng)于9，192，631，770個(gè)周期的輻射頻率?？茖W(xué)家們就是以此來(lái)估算時(shí)間，并將時(shí)間分解為不到十億分之一秒的極短單位。

3。 原子鐘現(xiàn)在已經(jīng)非?？煽?，但最初的原子鐘并非如此

1948年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（現(xiàn)為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所）建造了世界上第一臺(tái)原子鐘。不過，這臺(tái)原子鐘使用的不是銫原子，而是被加熱后從銅管中射出的氨原子。盡管這臺(tái)“氨微波激射器”證明了原子鐘的概念是可行的，但它從未真正用于計(jì)時(shí)。它每4個(gè)月的誤差大約1秒，比現(xiàn)有的石英鐘技術(shù)還更不可靠。石英鐘是一種基于電荷作用下石英晶體振動(dòng)的精確時(shí)鐘技術(shù)。

最終，科學(xué)家轉(zhuǎn)而使用振蕩更短的銫，并通過各種方式改進(jìn)了設(shè)計(jì)。1959年的一臺(tái)原子鐘模型成功地使時(shí)間誤差達(dá)到每2000年誤差1秒；到1964年，原子鐘已經(jīng)變得極為精確，需要6000年時(shí)間才能達(dá)到加減1秒的誤差。今天，最先進(jìn)的原子鐘可以達(dá)到數(shù)億年時(shí)間內(nèi)誤差不超過1秒的標(biāo)準(zhǔn)。

4。 銫，用于原子鐘的東西，是一種奇怪的元素

德國(guó)科學(xué)家羅伯特·威廉·本生，拍攝于1870年左右銫元素是1860年由德國(guó)化學(xué)家羅伯特·本生發(fā)現(xiàn)的，他是高中化學(xué)中常見的高溫加熱工具本生燈的發(fā)明者。在20世紀(jì)90年代早期，銫的奇妙性質(zhì)甚至激發(fā)一些人在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建了一個(gè)名為“Alt.cesium”的新聞組，致力于“討論、贊美、敬奉、崇拜和發(fā)布關(guān)于這種最崇高元素的歌曲、詩(shī)歌、故事和寓言”。銫通常被稱為“另一種金色金屬”，它是三種不呈灰色或亮銀色的金屬之一（另外兩種是金和銅）。

在自然界中能發(fā)現(xiàn)的銫同位素是銫-133，這也是唯一穩(wěn)定的銫同位素，但很難找到其確切分布。產(chǎn)量最大的銫-133天然來(lái)源是一種稀有的礦物質(zhì)，稱為銫沸石（pollucite）。盡管銫是一種金屬，但它可以在非常低的溫度下熔化，熔點(diǎn)僅為28.4攝氏度，是少數(shù)在接近室溫條件下為液態(tài)的金屬元素之一。當(dāng)銫接觸到冷水時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸反應(yīng)。在空氣中，銫有時(shí)會(huì)自發(fā)燃燒，出現(xiàn)明亮的天藍(lán)色火焰。

5。 原子鐘的計(jì)時(shí)實(shí)際上用的是一大塊石英，而不是單個(gè)銫原子

奧馬爾·布拉德利將軍（1893—1981）是美軍二戰(zhàn)期間的主要指揮官，他正在展示一臺(tái)由他的公司生產(chǎn)的石英鐘，下方是一臺(tái)原子鐘你可能會(huì)對(duì)這一點(diǎn)感到困惑，因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)說明了原子鐘是利用了銫的振蕩才變得更加精確。但在原子鐘內(nèi)部，真正計(jì)時(shí)的部分是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的石英晶體振蕩器，它將一塊晶體置于電流中，使其振蕩。不同之處在于，在大多數(shù)普通的石英鐘中，振蕩器在制造過程一開始就被精確調(diào)整，之后就不會(huì)檢查或調(diào)整它的頻率，這意味著隨著時(shí)間的推移，輕微的變化也會(huì)使石英鐘變快或變慢。然而，在原子鐘中，銫的振蕩可以檢查石英晶體裝置的頻率，從而保持驚人的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性。

6。 2008年，地球上的每個(gè)原子鐘都同時(shí)增加了一秒

2008年12月31日晚7點(diǎn)前，科學(xué)家們將世界各地的原子鐘都提前了一秒，以使基于原子時(shí)秒長(zhǎng)的協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）與地球自轉(zhuǎn)同步。這并不是原子鐘的問題，而是地球的自轉(zhuǎn)會(huì)每天大約減慢兩毫秒，原因包括空間塵埃、磁場(chǎng)風(fēng)暴、太陽(yáng)風(fēng)、大氣層阻力等，最重要的是月球?qū)Φ厍虻囊ψ饔谩?/p>

世界各地的原子鐘會(huì)定期重置，以確保與協(xié)調(diào)世界時(shí)保持同步所有這一切造成的影響就是太陽(yáng)日的延長(zhǎng)，并使其稍稍偏離超級(jí)精確的原子鐘。這種差異需要幾百年的時(shí)間才能顯現(xiàn)出來(lái)，但為了防止這種情況發(fā)生，1972年的一項(xiàng)國(guó)際協(xié)議規(guī)定，原子鐘將定期與協(xié)調(diào)世界時(shí)同步調(diào)整。

7。 用原子鐘證明時(shí)間在海拔越高的地方過得越快

住在山上的人比住在海灘上的人衰老得更快，這聽起來(lái)有些荒謬，但卻是事實(shí)。這個(gè)概念最早是一個(gè)世紀(jì)前由物理學(xué)家愛因斯坦提出的，他的狹義相對(duì)論假設(shè)時(shí)間不是常數(shù)，而是相對(duì)的。2010年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的物理學(xué)家周清文和同事進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證愛因斯坦的推理。他們將兩個(gè)原子鐘分別放置在海平面上方相隔30厘米的地方，發(fā)現(xiàn)位置更高的原子鐘運(yùn)行的速度越快。當(dāng)然，從實(shí)際數(shù)值來(lái)看差別并不明顯；根據(jù)周清文的說法，在79年的生命中，山上的居民會(huì)多衰老約900億分之一秒。

8。 科學(xué)家利用激光束使原子鐘更精確

原子鐘本質(zhì)上是用微波轟擊銫原子，激發(fā)一些可以被科學(xué)家測(cè)量的現(xiàn)象。傳統(tǒng)原子鐘的局限性在于，微波只能捕捉到一小部分銫原子，而通過將原子置于激光束中——這個(gè)過程被稱為激光抽運(yùn)（laser optical pumping）——就可以減慢原子的速度，使微波有更多的機(jī)會(huì)擊中它們，從而產(chǎn)生了更精確的信號(hào)，使科學(xué)家能夠使用銫原子振蕩來(lái)更準(zhǔn)確地標(biāo)記時(shí)間。奇怪的是，這一過程也會(huì)冷卻銫原子，甚至能低至開爾文溫標(biāo)的百萬(wàn)分之一度，幾乎就是絕對(duì)零度。

隨著科技的發(fā)展，原子鐘正變得越來(lái)越精確

9。 原子鐘讓你的電話交談更加容易

如今，電信公司以數(shù)據(jù)包（packet）的形式來(lái)傳輸語(yǔ)音，這使他們能夠在同一時(shí)間通過電話線傳輸大量的通話。當(dāng)你給另一個(gè)城市的人打電話時(shí)，你的語(yǔ)音會(huì)被分解并在兩端的計(jì)算機(jī)之間傳輸，一個(gè)對(duì)話與另一個(gè)對(duì)話之間會(huì)來(lái)回往復(fù)，每秒鐘可達(dá)數(shù)千次。然而，要實(shí)現(xiàn)這一切，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)必須保持完美的同步，否則通話就會(huì)變得混亂，聽起來(lái)像是胡言亂語(yǔ)。這就是現(xiàn)在的電信公司都配有原子鐘的原因——保持計(jì)算機(jī)之間的時(shí)刻幾乎完全同步。

10。 下一代原子鐘保持精準(zhǔn)的時(shí)間或許能與宇宙年齡相當(dāng)

科學(xué)家們一直在構(gòu)思使原子鐘越來(lái)越精確的方法。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的研究人員取得了一個(gè)令人興奮的進(jìn)展。用極其簡(jiǎn)化的術(shù)語(yǔ)來(lái)說，他們想用激光來(lái)重新排列原子的各個(gè)部分，從而利用一個(gè)繞軌道運(yùn)行的中子（而不是電子）作為“鐘擺”。結(jié)果可能就是一個(gè)比現(xiàn)在任何時(shí)原子鐘都精確上百倍的時(shí)鐘，據(jù)估計(jì)到140億年后只損失或增加不到二十分之一秒。（任天）

責(zé)任編輯：PSY