数亿年误差不超1秒!谁赋予原子钟“可怕”的精确性?

来源:科普中国 发布时间:2024年05月17日 作者:科普中国

原子钟的原理到底是什么?其具体运行原理又是怎样的?

这是大家看新闻时经常遇到的问题,而今年,关于我国各种原子钟取得新进展的新闻恰好又很多。例如:

目前商用的铷原子钟秒级稳定度通常在E-11到E-12量级水平,而在今年一月,据媒体报道,我国研制的新型铷原子钟在秒级频率稳定度这个核心指标上,首次进入了E-14量级,即百万亿分之一。

同样在今年一月,据媒体报道,我国科研团队成功研制出万秒稳定度和不确定度均优于微信图片_20240511224352.png

(相当于数十亿年的误差不超过1秒)的锶原子光晶格钟。

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2016年发射的中国墨子号量子科学实验卫星,而正在研制,未来将要发射的中高轨量子卫星将搭载精度更高的原子钟。(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

01 怎么定义钟的精确性?

在说原子钟之前,我们不妨先来思考这样一个问题:怎么定义一种钟的精确性?

答案是:

当这种钟把时间划分得越细,则得到的时间就越精确。

例如:

若把地球公转作为一种钟,则其精度就是“年”;

同理,若把月球绕地球转作为一种钟,则其精度就是“月”;

若把地球自转看作是一种钟,则其精度就是“天”。

显然,你会承认这样一个事实:

“地球自转钟”的精度远高于“地球公转钟”。因为前者能将时间一天一天地划分出来,而后者只能将时间一年一年地划分出来。

02 钟的频率是关键因素

“地球公转钟”的频率是一年一次,而“地球自转钟”的频率则是一年大约365次。后者精度更高。

以上事实告诉我们,只要能找到频率更高,且重复性更好的“东西”,然后将这个“东西”作为钟就行了。

那么,什么东西的变化频率很大呢?

1880年,科学家发现石英具有压电效应——在一块石英材料中施加压力,就会产生电流。

那么反过来又会怎样?

反过来也成立,只要在一块石英中施加电场,则其会产生振动。这就是“逆压电效应”。

那么,受到电场影响的石英,其振动频率又是多少呢?答案是不确定,因为石英的切割形状不同,其频率也不同。

然而,一种最经典的切割形状所对应的频率为32768赫兹,也就是1秒内要振动32768次。

因此,我们只要确保“切割形状”相同,就能得到一个固定频率了。

于是,我们得到了石英钟。

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石英钟,图片来自Wikipedia。

石英钟出现后,人类将时间细分的能力又上升了一大步。把1秒分成了32768等份,这比起“地球自转钟”不知道精准了多少倍。

为了进一步攀登精准的“高峰”,科学家们将目光射向了原子内部!

03 量子力学来帮忙

电子在原子核外面的运动,按照传统形象的说法,电子运动在一条“轨道”上,跟宏观世界不同的是,电子并不是永远只在一条轨道上运动,有时候它会从一条轨道“跑到”另一条轨道上,在量子力学上这被称为“跃迁”。

原子具有不同的“能级”,这是由核外电子所处轨道的不同决定的。也就是说,当电子处在一条轨道上的时候,原子处在一个能级上,当电子跃迁到另一条轨道上时,原子又处在另一个能级上。

原子的两个能级之间会有能量差,这里的能量差是恒定不变的,我们用“△W”来代替。

当核外的电子吸收了的来自外部的△W能量后,电子会跃迁到另一条轨道上。

反之,如果电子从这条轨道返回原来的轨道,它将“吐出”原来吸收的△W能量。

这里的△W能量其实就是电磁波,而电磁波的能量不同,其频率也不同。

再有就是,不同的原子,其能级之间的能量差也不同。而能量差本来就是电磁波,所以我们可以检测原子放出的特定电磁波来识别不同的原子。

最后,电子在两个不同能级间跃迁时,吸收或者辐射“一份”相同的能量差时,这个能量差相对其他东西,其更不容易因为环境的改变而改变。

可以这么说,当环境温度、湿度、磁场等条件基本固定的情况下,能量差是恒定的,无论是过了10亿年,还是过了1000亿年,它都不会变,因为它是原子自身的固有属性。

铯有多种同位素,比如铯-133,铯-137。而这里,我们将要说的主角就是铯-133。

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高纯度铯-133储存在氩气中,图片来自Wikipedia。

作为第55号元素的铯,它的原子核外有55个电子。所以不难理解,铯原子的能级有很多种,且很复杂。

不过这没有任何关系,因为铯原子钟使用的是最外层电子,而最外层又只有一个电子,运行在相对独立的轨道上。其能级跃迁最为容易识别。

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铯原子电子层(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

那么,铯原子最外层这个电子的能级跃迁,其吸收或者放出的电磁波,其频率到底是多少?

答案是9192631770赫兹。

石英钟能把1秒细分成32768份,这种时间上的精确度还不足于使用在卫星定位上。

然而,当我们有能力把1秒平均切分成9192631770份后,也就是大约92亿份后,我们就有足够的精确度了。

04 原子钟的大体运行原理

简化来说是这样的:

第一步:准备铯原子

我们先要弄出一大群能级相同的铯原子,这个较为容易做到,通常是通过加热铯金属并让其蒸发成气态来实现。

第二步:真空管封闭传输

这一大群铯原子被引导通过一个真空管道,这个管道是密闭的,以防原子与外界环境交互,从而影响到它们的能级状态。

第三步:微波辐射

在管道中,科学家们用特定频率的微波(电磁波的一种)照射这些原子。只有当微波的频率与铯原子的超精细结构跃迁频率精确匹配,也就是大约9192631770赫兹时,铯原子才会吸收这些微波并从一个超精细能级跃迁到另一个能级。

第四步:检测信号

当铯原子吸收了微波并完成跃迁后,它们会在某个点上返回到原来的能级,并重新释放之前吸收的能量,同样还是以电磁波的形式。

这个释放的电磁波信号可以被检测到,从而证实之前发射的微波频率确实是9192631770赫兹。

第五步:频率的精准控制

通过不断调整微波的频率并检测铯原子是否发生跃迁,人类就可以非常精确地确定并控制微波频率了。

总结以上,你可以认为原子钟的原理其实是一个“双重确认”的过程,即:

我们虽然在努力发射频率为9192631770赫兹电磁波,然而,你怎么确定,你发射的电磁波就是这个频率呢?我们并不知道。

这需要一个确认的过程。

所以,只能不断调试,然而,在某刻,我们接收到大量铯原子发生跃迁后而发射出来的强烈信号时,我们就确定了这么一个事实:

我们发射的电磁波,它的频率真的就是9192631770赫兹。

这个频率对应的就是1秒内产生了9192631770个周期,通过电子计数器对周期进行计数,每当发生9192631770个周期后,秒钟就跳动一下。

每当电子计数器,其计数了4596315885次,那就代表时间经过了0.5秒。

以上,就是铯原子钟的基本原理。

05 用“跳绳”解释

实际上,我们还可以用“跳绳”来理解原子钟的原理。

在跳绳中,两个人把着绳子的两端,以一定频率一圈一圈地挥动绳子,如果这个频率是1秒1圈,则跳绳的人也必须是这个频率跳动,即1秒跳1次,否则不久就会失败。

如果挥动绳子的频率是9192631770赫兹,则跳绳的人也必须是1秒跳9192631770次,这样就合拍起来了。

假如世界上真有一些人,他们能不吃不喝,且能在特定条件下恒定不变地以每秒跳动9192631770次,那我们大可不必舍近求远,去找什么铯原子来帮忙,直接使用这些人就行了。

可惜的是,地球上没有哪种人,也没有哪种人造物能在特定条件下,以如此恒定不变的周期跳动。

因此,这里的铯原子其实就相当于在特定条件下能以恒定不变周期跳动的那些“跳绳人”。

而我们向铯原子发射的电磁波,其实就相当于挥动绳子的那两个人。如果两者节奏合拍,则我们可以断定,1秒内,人为挥动绳子的频率为9192631770次。

跳绳的那些人,我们不能方便地对其计数,不过没关系,我们只要使用先进的“电子计数器”计数挥动绳子的次数就可以了。

综上,我们还可以这么说:

使用极为先进的基于分频技术和高速计数器芯片的“电子计数器”,我们能在1秒内计数百亿次以上,然而,我们不能将它作为时钟来使用。

因为你这次虽然计数了920亿次,但你这次可能是在10.1秒计数完成的。下次,你又计数了920亿次,你又可能是在9.9999秒完成的。

所以,最大的问题是,如何确保每次持续的计数都是在相同的时间内计数了相同的次数呢?

无法确保,因为你没有一个恒定不变的参照物。于是,就使用铯原子固定不变的属性来作为参照物即可。

作者:寒木钓萌 科普作家、科技部“全国优秀科普作品奖”获得者

审核:刘娅 中国科学院国家授时中心研究员

出品:科普中国

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