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“时间魔盒”原子钟

时间是人类生活中最重要的事物之一,中国自古就有“一寸光阴一寸金”的谚语。英国著名物理学家霍金的科普著作《时间简史》风靡全球,中国流行歌曲“时间都去哪儿了”也广为传唱,都说明了人们对于时间的重视和关注。时间不但在日常生活中扮演重要角色,在科学研究中也起着举足轻重的作用,研究天体乃至各种地球物体的运动都离不开对时间的测量。所以,近代科学巨匠牛顿在其划时代的著作《自然哲学的数学原理》一开始,就对时间进行了讨论和定义。他认为,时间是“绝对的、真实的和数学的”,并且“均一的流动”“与任何外在的东西无关”,但可以通过物体的运动被感觉到并进行度量。

实际上,通过物体运动对时间进行计量,无论在中外都有悠久的历史。人类经历了诸如日晷、漏刻、沙漏、钟摆、石英震荡等等计时方式之后,在20世纪四十年代末,由于美国科学家发明了一种利用测量原子稳定能级之间跃迁的方式来计时的方法后,进入了所谓的“原子钟时代”。

原子钟的计时方式是采用测量一种稳定的原子能级之间的跃迁频率作为计时的方法。经过改进后,这种计时方式比过去的天文钟和石英震荡钟都要精密和稳定得多。因此,在1967年,国际度量衡大会决定采用原子钟来定义基本时间单位,即用铯元素唯一的稳定同位素铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间长度作为1秒。到20世纪末,一方面通过进一步对原子钟的使用条件进行严格规定,另一方面通过技术改进,例如使用激光冷却和原子俘获,以及更精密的激光光谱技术,使原子钟的精确性有了更大的提高。这种精确的计时装置使时间的计量更加统一和准确,为科学技术研究、现代生产活动和人们的日常生活都带来了很大的方便。

进入21世纪,科学家不但在原子钟的准确性方面继续努力,还在原子钟的微型化和节能化方面狠下功夫,使得新一代原子钟实现了芯片级的跃升,所需能量也大大降低,从而在稳定性和精密性方面再一次得到了极大的优化,并进入到了商业化阶段。

当前,原子钟在工作物质方面也开始多样化,不再限于铯元素,也包括铅、氢、铷、锶、镱元素等。工作模式则分为光学原子钟和量子原子钟等多种不同的模式。原子钟甚至已经突破了单纯原子的界限,开始朝着原子核和单个离子特性测量的方向发展。从这个意义上讲,称之为原子钟似乎已不能完全涵盖其内涵,也许称为“粒子钟”更加贴切。特别重要的进展还在于,如今的原子钟已不仅限于作为一种精确的计时装置得到应用,还成为科学家研究宇宙天体乃至地形地貌等更广泛科学领域的新型探测工具。

前面提到牛顿的绝对时间,实际上根据相对论理论,我们已经知道时间并非绝对均匀的流逝过程,在不同的引力条件下时间流逝是有一定差异的,或者换言之,物质的时空运动状况呈现出不同的特性。反映到原子钟的运行上,其时间快慢也由于引力场的作用而有所差异。但一般原子计时装置可能无法觉察到这种微小差异,只有超精密的原子钟才有可能探测到这个差异。基于这个思路,在目前更新一代原子钟技术的基础上,科学家开始通过探测其时间差异来研究不同宇宙天体的变化所引起的引力波现象。据英国《自然》杂志的报道,科学家也在利用便携式微型精密原子钟来测量山脉的高度,其原理也是基于山峰和谷底引力变化所导致的时间差异。

可以预见,随着原子钟技术的不断发展,一方面其为更广阔的科学技术领域,例如宇宙天体、人造卫星、地形地貌、半导体芯片等的研究应用创造新的机会,另一方面也将普及到更广泛的生产和生活领域,为人们的日常生活带来更多的便利。

 

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