原子鐘：計量時間的“千分尺”

文 張照星 唐東

太空浩瀚，斗轉星移；四季更替，草木枯榮。從古至今，人們都能清晰感知到時間的流逝。

為了準確計量時間，隨著時代發展，時間計量工具在不斷更新換代，從日晷、沙漏、水鐘，到機械鐘、石英鐘，再到原子鐘，精確度越來越高。如果說日晷、沙漏、水鐘是“魯班尺”，那么機械鐘、石英鐘就是“卷尺”，原子鐘則是“千分尺”。

原子鐘的“前世今生”

20世紀30年代，科學家在研究原子和原子核的基本特性時發現，原子的振蕩頻率準確性非常高，從而產生了利用原子的振蕩頻率來制作時鐘的想法。1948年，美國國家標準局利用氨分子的吸收譜線，建造了世界上第一臺原子鐘。但受多普勒效應影響，振蕩器譜線太寬，其精確度并不比石英鐘高。為此，美國物理學家拉姆齊在1949年提出分離振蕩場的方法，大大提高了精確度。

1955年，英國皇家物理實驗室用銫元素唯一的穩定同位素銫-133原子，成功研制出第一臺銫束原子鐘，開創了實用型原子鐘的新紀元。到20世紀末，科學家們對原子鐘的使用條件進行嚴格規定，并通過使用激光冷卻和原子俘獲及更精密的激光光譜等技術，大幅提高了原子鐘的精確度。

1955年英國研制了世界上第一臺可靠的銫原子束鐘

進入21世紀，科學家們不但在原子鐘的準確度方面追求極致，還在原子鐘的微型化和節能化方面狠下功夫。這使新一代原子鐘實現了芯片級躍升，能耗也大大降低，從而在穩定性和精密性方面得到極大優化，并進入商業化推廣階段。

原子鐘一般運用在對時間精確度要求比較高的系統上。比如衛星導航系統，它主要利用測量時間來測距，最后達到導航定位的目的。時間測量，則主要依賴于衛星和地面站放置的原子鐘。原子鐘如同衛星導航系統的“心臟”，其精準直接影響衛星定位、測速和授時精度。

衛星上常用的銣原子鐘，可做到幾十萬年只差1秒。即使如此之高的時間精度，也會讓衛星導航系統產生數米的定位誤差。據測算，目前精度最高的原子鐘——光鐘，運行300億年誤差只有1秒。如果技術條件允許，將光鐘放到衛星上用于導航，即使你去火星“旅游”，拿著手機導航，定位誤差也不會超過1米。

隨著科技發展，我們對時間精確度要求越來越高。比如在衛星導航系統中，1秒的時間誤差會導致30萬公里的位置誤差。假如未來某一天可在星際間穿越，哪怕是萬分之一秒的誤差，都會上演“星際迷航”。因此，創新發展原子鐘永無止境。

原子鐘的工作原理

原子由中心的原子核及在核外沿特定軌道運行的電子組成。每個電子都有屬于自己固定的飛行軌道，當最外層電子從一個軌道跳變到另一個軌道時，能量就會發生改變，需要吸收或釋放電磁波。這個電磁波有一個確定的頻率，而且非常穩定。根據現在電子表原理，只要我們掌握了某種原子超精細能級之間所對應的電磁振蕩頻率，就可用來精確計時了。所以，科學家用原子作節拍器，保持時間的高精度。

如何利用這個穩定的電磁波作為時間計量的鐘？科研工作者們針對不同原子，研究出了不同對策。對于導航衛星上裝載的銣原子鐘，首先將銣原子團“囚禁”在一個密閉的真空氣室里，并用波長780納米的光照射它，銣原子的最外層電子吸收光場的能量，跳變到另一個軌道，并自輻射到第三個軌道。當所有銣原子都完成這一步驟后，便不再吸收光子，也無法觀察到原子自發輻射產生的熒光了。之后，再用一個6.8吉赫茲的微波去照射這群原子，讓第三個軌道的電子重新回到第一個軌道。這時，可觀察到銣原子重新吸收780納米的光子，并自發輻射出熒光。利用觀察到的熒光強弱，反饋回去糾正微波信號，就可得到高度穩定的微波頻率。這就是銣原子鐘的工作原理。

地面上常用于時間保持的銫原子鐘，則完全采用不同策略。原子外層電子如果處在不同軌道，就會具有不同的磁矩，在非均勻磁場中，將會受到不同大小的磁力。先將銫原子加熱成氣體，并讓其穿過一個小孔變成銫原子束，然后再穿過一塊特定的磁鐵，處于不同軌道的原子就會發生不同角度的偏轉。這時，用一束9.2吉赫茲的微波去照射這些原子，讓某一特定角度偏轉的原子實現軌道跳變，最后再通過一個特定方向的磁鐵，讓發生跳變的這一部分原子剛好穿過另外一個小孔，并用傳感器去探測這一部分原子的數目，將其轉換成電信號，反饋回去控制微波源的頻率，得到穩定頻率的微波信號。

有了這些穩定頻率的微波信號后，人們可通過電磁學手段，將其轉變成標準頻率，供科研、通信、工業等領域使用。也可利用電磁學手段，將這個頻率信號轉換成一系列間隔為一秒的脈沖信號，進而變為我們熟悉的時間信號“時、分、秒”進行輸出。這樣，我們就擁有了一臺原子鐘。

隨著激光等技術手段的不斷成熟，除了傳統的銣鐘、氫鐘、銫鐘之外，還涌現出離子鐘、冷原子噴泉鐘、光鐘等新型原子鐘，精確度指標也在不斷刷新。目前，最好的光鐘精確度指標已進入10～19量級。

無處不在的原子鐘

聽起來高深莫測的原子鐘，其實離我們并不遙遠，已融入我們的生活。

除了定位導航外，原子鐘還被應用到全世界的時間保持和授時服務上。比如，我們所熟知的北京時間，就是全世界150多臺原子鐘共同守時并加權平均后的結果。各種物理學常數的測定，還有電力系統、通信系統，也都離不開高精度的原子鐘。否則，電網調節時間出現偏差，可能會導致電機故障；各地交通體系時間有差異，可能會造成交通事故。

如今，電信公司以數據包的形式來傳輸語音，這使他們能在同一時間通過電話線傳輸大量語音。當你給另一個城市的人打電話時，你的語音會被分解并在兩端計算機之間傳輸。一個對話與另一個對話之間會來回往復，每秒鐘可達數千次。然而，要實現這一切，兩臺計算機必須保持完美同步，不然通話就會變得很混亂，聽起來像是胡言亂語。這就是現在電信公司都配有原子鐘的原因——計算機之間時刻保持完全同步。

電影里，大戰前夕，指揮員們總會表情嚴肅地湊到一起，伸出手腕對表，以便統一行動。但在現代戰爭中，各個作戰系統“對表”，就得依靠原子鐘。

隨著現代戰爭發展，精準的時間系統成為網絡戰的關鍵，時頻體系是一個國家的國防基礎。而原子鐘作為目前世界上最準確的時間獲得和測量工具，屬于一個國家的戰略資源，尖端武器、航天系統、導彈與火箭的發射及跟蹤，都離不開它。比如要想提高制導武器命中率，就必須提高計時的精確度。否則，就會出現“差之毫厘，謬以千里”的后果。可以說，離開了高精度的時間計量，目前絕大多數的精確制導武器將會形同虛設。

在聯合作戰方面，未來無人作戰系統或空天一體化作戰網絡中，所有作戰設備都需要高精度時間同步。衛星、飛機、導彈、地面雷達、艦船等裝備，都需要一個高精度本地時鐘——原子鐘，并通過電磁波或光纖實現時間同步。只有這樣，才能提高探測、預警和打擊精度，同時提高聯合作戰效率。

未來的深空探測、太空戰等，都離不開遠距離定位導航，這也將對原子鐘的指標提出更高要求。