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　　時(shí)間究竟是什么?——時(shí)間的定義計(jì)量

　　說(shuō)起時(shí)間，每個(gè)人都會(huì)說(shuō)我知道。可是，時(shí)間究竟是什么，卻總是很難說(shuō)清楚。其實(shí)，自從地球上出現(xiàn)人類的那天起，時(shí)間的測(cè)量一直是人類日常生活必不可少的一項(xiàng)工作。時(shí)間作為基本物理量之一，是目前測(cè)量精度最高也是人類生活應(yīng)用最廣泛的物理量。時(shí)間的單位是秒，最早的時(shí)間是以地球自轉(zhuǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)，稱為世界時(shí)。它對(duì)秒的定義是指一個(gè)平太陽(yáng)日的1/86400為1秒。

　　后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)速率并不均勻，之后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)后，人們采用準(zhǔn)確度更高的歷書(shū)時(shí)對(duì)時(shí)間單位“秒”進(jìn)行定義。這種基于天體測(cè)量對(duì)時(shí)間進(jìn)行定義的天文時(shí)間對(duì)人類歷史的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。然而天體的運(yùn)動(dòng)速率并不是完全均勻的，其周期也并非完全穩(wěn)定，因此對(duì)測(cè)量的精度有很大的限制，而且觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，不能很好地滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的需要。

　　如何精確量出一秒?——原子時(shí)的出現(xiàn)

　　隨著量子物理學(xué)(激光冷卻原子技術(shù))和激光光譜學(xué)的迅速發(fā)展，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到原子或分子振蕩的周期非常穩(wěn)定，其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于天體運(yùn)動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)的世界時(shí)和歷書(shū)時(shí)，用其來(lái)定義秒可以使秒的精度得到極大地提高。利用原子振蕩頻率確定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，我們一般稱之為原子時(shí)[1]。1967年，第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議，把原來(lái)基于天體宏觀周期運(yùn)動(dòng)的時(shí)間單位“秒” 長(zhǎng)定義，改為基于原子內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng)，將 “秒” 長(zhǎng)定義為銫(133Cs)(133為左上角標(biāo))原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級(jí)間躍遷電磁輻射周期的 9192631770 倍所持續(xù)的時(shí)間。

　　而 “秒” 長(zhǎng)定義的復(fù)現(xiàn)和時(shí)間頻率的精確測(cè)量則需要依靠量子頻標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。量子頻標(biāo)又稱“原子頻標(biāo)”，簡(jiǎn)單地講，原子頻標(biāo)是應(yīng)用原子或離子內(nèi)部能級(jí)間的躍遷頻率作為參考，鎖定晶體振器(簡(jiǎn)稱“晶振”)或激光器頻率，從而輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器。在計(jì)量學(xué)中，我們稱其為頻率標(biāo)準(zhǔn)器具，它是當(dāng)代第一個(gè)基于量子力學(xué)原理做成的計(jì)量器具。由于物體運(yùn)動(dòng)周期與頻率成反比，所以原子頻標(biāo)通常又叫原子鐘。實(shí)際上，原子鐘應(yīng)該是能夠產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)(如秒脈沖)并有計(jì)數(shù)裝置的原子頻標(biāo)。近三十多年來(lái)，隨著新物理理論和新技術(shù)成果的應(yīng)用，人們研制出了不同類型的新型原子鐘，它們已經(jīng)或即將應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[2]。

　　原子鐘也有多種，如何尋找最精準(zhǔn)的原子鐘?

　　銫(Cs)原子具有的一些屬性使其成為基于原子共振躍遷的頻率標(biāo)準(zhǔn)，在20世紀(jì)50年代早期，世界上許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)基于銫原子的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的研制。銫原子的原子質(zhì)量相對(duì)較重，因此，它們的移動(dòng)速度相對(duì)較慢，在室溫下約為每秒130米，這就使得銫原子與微波場(chǎng)的作用時(shí)間較長(zhǎng)。

　　此外，銫也有相對(duì)較高的超精細(xì)躍遷頻率(9.2 GHz)，例如銣和氫原子的超精細(xì)躍遷頻率分別為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室 (NPL) 研制出了第一臺(tái)銫原子鐘，獲得1×10^-9的不準(zhǔn)確度[3]。由銫提供的高精度和準(zhǔn)確度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了對(duì)時(shí)間單位 “秒” 的新定義的產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，目前的銫原子鐘的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了10^-16，其精度接近1億年不差一秒[3]。

　　隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)、電磁囚禁技術(shù)、激光冷卻和陷俘原子技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，以及新物理原理的應(yīng)用，新型原子鐘技術(shù)的發(fā)展十分迅速。一方面人們應(yīng)用這些新技術(shù)探索性能更高的新標(biāo)準(zhǔn)，另一方面努力尋求小型化的新途徑。這些新物理原理和新技術(shù)的成功應(yīng)用，催生了以超冷原子為工作物質(zhì)的原子噴泉、離子儲(chǔ)存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鐘，使原子鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至達(dá)到10^-18。20世紀(jì)90年代后，尤其是最近幾年，這些新技術(shù)被引進(jìn)到我國(guó)，并且在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，新型原子鐘的研究已經(jīng)蓬勃發(fā)展[4]。

　　1、如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鐘

　　時(shí)間頻率基準(zhǔn)鐘裝置是運(yùn)行在一定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，具有自我評(píng)估能力的最高時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置，是時(shí)間頻率計(jì)量單位傳遞的源。近十幾年來(lái)，作為各國(guó)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，傳統(tǒng)的磁選態(tài)和光抽運(yùn)大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鐘取代。

　　原子噴泉的基本想法如圖 1 所示，我們搭建一個(gè)豎立的真空裝置，真空中充有工作介質(zhì)(銣或銫)的飽和蒸氣，利用激光方法俘獲原子，并將其冷卻到非常低的溫度，將原子上拋。原子在上拋和下落的過(guò)程中只受到重力的作用，它兩次穿過(guò)微波腔，與時(shí)間上的分離振蕩場(chǎng)作用，產(chǎn)生鐘躍遷，然后探測(cè)不同能級(jí)的原子。最后獲得與 Ramsey 鐘躍遷相應(yīng)的熒光信號(hào)。應(yīng)用該熒光信號(hào)即可完成對(duì)實(shí)用頻標(biāo)的頻率鎖定。我國(guó)先后從事冷原子噴泉鐘研究的有北京大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心。

　　2、準(zhǔn)確度更高的冷原子光鐘

　　原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均以其所應(yīng)用的量子躍遷譜線頻率的相對(duì)值來(lái)表示。與微波信號(hào)相比，光信號(hào)的頻率高，并且有一些原子或離子的光學(xué)頻率躍遷譜線很窄，其相應(yīng)的Q值(譜線質(zhì)量因子)高達(dá)10^18。利用這些譜線實(shí)現(xiàn)的頻標(biāo)，即光頻標(biāo)，具有極高的頻率穩(wěn)定度，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度將優(yōu)于10^-18。

　　近些年來(lái)，原子冷卻技術(shù)，尤其是光晶格原子囚禁技術(shù)的飛速發(fā)展，使基于冷原子樣品而實(shí)現(xiàn)的光頻標(biāo)擁有高準(zhǔn)確度的潛力，并且具有高信噪比和低量子投射噪聲。世界發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開(kāi)展了基于冷原子的光頻標(biāo)研制。冷原子光鐘研究進(jìn)展非常迅速，一些實(shí)驗(yàn)室相繼報(bào)道的數(shù)據(jù)表明，其研究的冷原子光鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度性能已超越了銫原子噴泉鐘[2]。

　　目前，鍶光鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度達(dá)到10^-19量級(jí)，比噴泉鐘高4-5個(gè)量級(jí)。