我們所熟悉的鐘擺，三百多年來兢兢業(yè)業(yè)地提醒著人們時間的流逝。當科技發(fā)展進入量子時代，難以滿足計時精度需求的傳統(tǒng)鐘擺，正在被量子世界中的鐘擺——原子振蕩所替代。在未來某個時刻，當時間的流逝可以用來測量高度、甚至探測引力波，人類的發(fā)展也將迎來一個新紀元。
■檀時鈉
時間是人類自古就有的樸素概念，它衡量著事物的變化。例如，當我們看到面前鏡子中的自己，會在同一時刻借助大腦中的記憶或照片等實物，回憶那個“曾經(jīng)更年輕的自己”，并將這種“現(xiàn)實”與“記憶”的差異解釋為時間的流逝。
很顯然，如此感知的時間是極為模糊的。為了更加精確地測量時間，人類也不斷研制更加精準的時鐘。宏觀物體千差萬別，有太多因素會影響時間測量的精度。當人們對時間精度的要求越來越高，科學家逐步將目光投向了微觀物體。
與宏觀物體相比，微觀物體具有近乎完美的一致性。此時此地的一個氫原子，跟恐龍時代的氫原子本質(zhì)上沒有任何已知差別。這就提示人們，用微觀物體狀態(tài)的變化來做時間基準，可以更準確地測量時間。當量子力學被引入時間測量，原子鐘也就應運而生。
用量子觀念看世界你需要適應的新習慣
人類文明早期，計時還有賴于滴水、焚香乃至日影的移動，三百多年前才出現(xiàn)了鐘擺。根據(jù)牛頓力學計算，地球上一定長度的單擺以一定的位置小幅搖擺，其搖擺周期幾乎是恒定的。因此，人們可以通過計數(shù)單擺的搖擺來測量時間流逝的長度。
在一定范圍內(nèi)，牛頓力學預言，搖擺的周期與擺長的平方根成正比，這一公式是適用的。可是，如果擺長接近地球的尺寸呢？如果鐘擺在搖擺過程中受到外力干擾呢？
實際上，在宏觀世界中，有很多因素會對鐘擺擺動產(chǎn)生影響，甚至一顆極小的灰塵落到單擺的線上，搖擺周期就會改變。顯然，當人們對時間精度的需求到達一定程度時，宏觀世界的鐘擺，哪怕借助機械的力量，也難以滿足這些計時需求了。
人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學不再能解釋微觀世界的行為，而量子力學卻可以極為完美地解釋科學家已經(jīng)知曉的有關微觀物體（還包括一些宏觀物體）的一切行為。
量子力學重新解釋了“變化”和“運動”，其基本規(guī)律并不難，只是其法則不為大多數(shù)人熟悉而已。一旦你熟悉了它，就能比較自然地理解并運用它。
在牛頓定律中，我們已經(jīng)習慣了“非黑即白”的物體存在狀態(tài)。但在量子世界里，你必須要適應一種新習慣——物體，無論是諸如原子這樣的微觀物體，還是宏觀物體，通常并不具有確定的細致狀態(tài)，它的存在狀態(tài)是一種概率。
如果借助數(shù)學來描述，我們可以這樣理解：在某種給定測量方法的前提下，必須考慮一個物體可能被觀測到的所有狀態(tài)，例如一個點粒子所有可能存在的位置，它們在邏輯上甚至是相互排斥的。然后，我們再給每個可能的狀態(tài)賦予一個二維的矢量（存在于某個抽象的二維平面里），這個矢量的長度的平方，表示物體處于這個狀態(tài)的概率，所以這個矢量叫做“概率幅”。所有這些可能狀態(tài)的概率總和，通常設為1，也就意味著物體總是會出現(xiàn)在這些可能狀態(tài)中。
如果一個物體至少有兩個概率幅不為零，那我們就認為物體處于不同狀態(tài)的疊加態(tài)。例如，金屬盒子里的空間可以處于有光子和無光子的疊加態(tài)（光子是光的基本顆粒，具有能量、動量、重量等各種物理性質(zhì)）。“薛定諤的貓”詮釋的就是這個道理。
芭蕾演員演繹的舞蹈定態(tài)疊加得到復雜運動
量子力學指定了物體如何隨時間演化。如果上一段文章中提到的所有矢量都在各自的平面里以同樣的頻率向同一個方向轉(zhuǎn)動（例如都順時針轉(zhuǎn)動）、長度不變，物體被認為具有確定的能量。
能量確定的狀態(tài)也叫定態(tài)。處于定態(tài)的物體沒有任何可以覺察的時間演化——各種可能性的概率都不隨時間變化。能量最低的定態(tài)叫做“基態(tài)”，能量更高的各種狀態(tài)都叫做“激發(fā)態(tài)”。
量子力學認為，現(xiàn)實世界的一切變化都是不同能量“干涉”的結(jié)果。例如，如果物體處于兩個能量有差異的定態(tài)的疊加，那就要把相應的兩組矢量按照平行四邊形法則分別疊加起來，從而得知每種微觀狀態(tài)的總概率幅是如何隨時間變化的。
由于兩組矢量的轉(zhuǎn)動角速度不同，你會發(fā)現(xiàn)，每個可能的微觀狀態(tài)的概率是隨時間而發(fā)生周期性變化的。為了保證總的概率不隨時間變化，必須保證不同能量的定態(tài)的概率幅之間滿足一定的關系。例如，芭蕾舞演員演繹的復雜舞蹈動作，可以被認為具有許多可能能量——通過更多定態(tài)的疊加，你可以得到任何復雜的運動。
用原子振動來做鐘擺
“量子之鐘”刷新計時認知
人們之所以要研制原子鐘，就是因為與宏觀世界的鐘擺相比，用原子的振動來做鐘擺，可以將計時精度提升到非常高的境界。為什么原子會具有這種神奇的本領呢？讓我們進入量子世界去解開這個謎團。
如果原子里的電子處于兩個不同能量狀態(tài)的疊加態(tài)，電子在原子核周圍分布的概率密度（即“電子云”）就可能隨時間往復振蕩，好像單擺那樣。實際上，量子力學認為，在宏觀世界里，單擺往復振蕩也是單擺不同能量狀態(tài)疊加的結(jié)果，在這點上與微觀世界的電子沒有本質(zhì)區(qū)別。
當原子內(nèi)部不同部分相對彼此往復振蕩時，原子就會發(fā)射電磁波，頻率等于原子的兩個能級的差除以普朗克常數(shù)。這種電磁波的頻率極其穩(wěn)定，原子鐘就用它的振蕩次數(shù)來計時——這就是原子鐘的基本原理。
實際使用的原子鐘，分為主動型和被動型。主動型原子鐘靠原子振蕩發(fā)射特定頻率的電磁波。而被動型原子鐘則有一個宏觀尺寸的“超穩(wěn)腔”來制備頻率極其穩(wěn)定的激光，叫做“鐘激光”（區(qū)別于原子鐘里的其它一些激光）。若鐘激光的頻率與原子固有頻率一致，那么原子就會共振吸收激光能量，進入激發(fā)態(tài)（這類似于單擺在合適頻率的驅(qū)動下會發(fā)生共振）。利用這種特性，原子鐘不斷將鐘激光頻率和原子的振蕩頻率進行比較，不斷校正鐘激光的頻率，確保其穩(wěn)定在原子振蕩頻率上，然后用這種激光頻率來計時。
研制光晶格冷原子鐘挑戰(zhàn)計時精度世界之最
原子相對于我們飛行時，我們接收到原子所輻射出的電磁波頻率會和原子的固有頻率發(fā)生偏差，這叫做多普勒效應。原子朝著觀察者飛時，觀察到的電磁波頻率比原子的固有頻率高；原子遠離觀察者飛時，觀察到的頻率比固有頻率低。
為了減少多普勒效應帶來的頻率偏差所導致的時間測量誤差，人們將原子冷卻到極低的溫度，以減緩原子的熱運動。中國是世界上第一個將冷原子鐘放到太空的國家，天宮二號上的空間冷原子鐘在太空中服役期間運行穩(wěn)定，將人類在空間軌道上的時間計量精度提高了一個多數(shù)量級，達到了三千萬年誤差小于一秒的水平。
怎樣冷凍原子來獲得更高時間精度呢？其中一個重要思想是用光晶格（特定頻率的激光形成的駐波）來凍結(jié)許多原子的空間運動，從而徹底消除多普勒效應，并且長時間（達到秒的量級）觀測這些原子，以得到空前的頻率穩(wěn)定度。為了盡量避免光晶格激光對原子振蕩頻率的影響，光晶格激光的頻率要選取特定的值，叫做“魔術頻率”。凍結(jié)的原子數(shù)越多，凍結(jié)的時間越久，頻率穩(wěn)定度越高。
然而，當兩個冷原子靠近時，每個原子都會改變另一個原子的振蕩頻率，由此損害時間測量精度。為了更好地消除這種“碰撞頻移”，光晶格冷原子鐘往往要利用“費米”原子（質(zhì)子、中子、電子的總數(shù)為奇數(shù)的原子），例如鍶-87、鐿-171、汞-199。
這是因為費米原子滿足泡利不相容原理：如果把它們制備在同一個內(nèi)部狀態(tài)，它們在空間運動上的概率幅作為兩個原子的距離的函數(shù)就會按照距離的一次方趨于零（近似如此）。這樣，兩個原子碰到一起的概率就變得很小，大為減小了碰撞頻移，也就大大提高了時間測量精度。
除了某些單離子鐘外，光晶格冷原子鐘已經(jīng)成為世界上最精密的一類鐘，其精度可以達到10-18或更高，比微波原子鐘的精度提高了上百倍。
中國的光晶格冷原子鐘比國外起步稍晚，但中國計量科學研究院、中國科學院國家授時中心分別研制的鍶光晶格鐘、華東師范大學的鐿光晶格鐘已經(jīng)達到了10-16的量級，相當于每幾億年才差一秒。中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所的鐿光晶格鐘、中國科學院上海光學精密機械研究所的汞光晶格鐘的研制也取得了新突破。
（作者系北京大學物理學院量子材料科學中心教授）
萬物相通的“未來之鐘”
在物理學的視野里，世間萬事萬物的規(guī)律都是相通的。這是我們努力學習和研究它的一個主要動機。
量子力學作為統(tǒng)一自然界萬事萬物的一套法則，有著舉一反三的實用效果。比如，為了理解原子鐘的碰撞頻移，需要對兩個原子的低能碰撞進行精密的量子力學求解。此類研究產(chǎn)生了諸如“s-波散射長度”“p-波散射體積”等一系列重要概念。
作為決定粒子低能碰撞概率幅的基本參數(shù)，這些概念不僅深刻影響了冷原子物理，還適用于核物理領域中子與原子核散射等各種過程、粒子物理領域p i介子散射等。而中子與原子核的散射，又是國家大科學裝置散裂中子源用于各種樣品檢測的主要機制。
從時間的精密測量與相對論的密切關系，我們可以感受到萬物相通的奧妙。
根據(jù)廣義相對論，地面（或任何星球）上兩點之間，如果高度不同，時間流逝速度就會有所不同，高處略快。地面上每米的高度差，時間流逝差異大約為10-16。這意味著，僅僅用原子鐘精確測量兩點的時間流逝速度的差異，就能推測兩點的高度差。這意味著，原子鐘在測地學、水文學里都會有巨大的應用。
廣義相對論預言的引力波已經(jīng)被大型探測器探測到。引力波是時間空間自身尺度的擾動。只要時鐘足夠靈敏，人類遲早可以用時鐘探測到引力波。而引力波可以直接穿透地球，在遙遠的未來可用于發(fā)展不受阻礙的通信。也許到那時，基于量子力學的鐘也可能會成為通信工具。
微波原子鐘
迄今大多數(shù)原子鐘都是基于原子的微波頻率振蕩，振蕩頻率一般在千兆赫茲量級。
銫原子鐘
國際單位制的時間單位秒就是根據(jù)銫-133原子的微波頻率振蕩周期的某個整數(shù)倍來定義的。
銣原子鐘
被動型原子鐘，利用的是銣原子基態(tài)超精細能級之間的躍遷所輻射出的電磁波，具有體積小、精度高的特點。
氫原子鐘
利用氫原子能級跳躍時輻射出來的電磁波去控制校準石英鐘，穩(wěn)定程度相當高，每天變化只有十億分之一秒。
光頻原子鐘
為了進一步提高時間測量精度，近十幾年來，人們大量研究了比微波鐘頻率高上萬倍、十萬倍的光頻原子鐘，其振蕩頻率與可見光的頻率一樣，甚至更高。
光晶格冷原子鐘
用光晶格激光來凍住原子，從而獲得超高的頻率穩(wěn)定度。其精度可以達到10-18或更高。
鍶原子鐘
光晶格冷原子鐘的一種。原子頻率越高，給定時間內(nèi)的振蕩次數(shù)越多，越能精確地測量時間，但前提是原子處于能量激發(fā)態(tài)時的壽命不能太短，否則原子就會像有強摩擦的單擺那樣振幅快速減小，不能足夠精確地定義一個振蕩頻率。鍶-87原子恰好有一個長壽的激發(fā)態(tài)，平均壽命高達150秒，它與基態(tài)疊加時的振蕩頻率高達約429太赫茲，因而成為一個重要的時間基準。
聯(lián)系客服
