互动科普

原子钟的尺度正在减小到微芯片大小,正在走向太空并且趋近可获得得精度的极限。

·重新启动的原子钟制造业有望将计时精度再提高1000倍。

·理论上，时间测量的精度可以是无限的，但引力和速度会扭曲时间，微观粒子的这种局限性影响了原子钟的精度。

·原子钟的寿命不长，工程师也在设计可以运转12000年的机械钟。

今年五月的某一星期，几十位世界顶级钟表制造者聚集于美国新奥尔良，展示他们的最新发明。他们当中没有机械师，全部都是科学家。他们讨论着光谱与量子水平的议题，而非齿轮和钟摆。今天，那些想要制造出更加精确的时钟的人，必须同时进入物理学和工程学几个前沿的领域。他们正在研究可以发射出千万亿分之一秒脉冲的激光和可以将原子冷却到绝对零度以上仅百万分之几度的容器。他们用光和磁捕集器捕获单个离子并操纵它们轨道电子的旋转。

由于关键技术的进步，超精度钟表技术正在以30多年来从未有过的速度发展。最近某公司出产的一类精致铯辐射钟，已经卖到63000美元，误差仅为每月1微秒，频率精度达5/1013。美国主要时间标准是NIST安装在科罗拉多州Boulder实验室的铯辐射钟，能够精确到1/10-15，比NIST1975年的最佳时钟的精确度提高了500倍。但是，2005年用于国际太空战的时钟预计将精确到10-16。物理学家希望，成功的新时钟设计样式在三年内能精确到10-18，不到十年间精确度提高1000倍。

精度也许并不是一个完全正确的字眼。1967年国际上规定，将秒定义成为“铯133原子基态超精细能阶跃迁的9，192，631，779个周期所持续的时间。姑且不论这个定义如何，关键是你必须以它为标准。即将出现的最好的时钟严格说来也不能用于计量秒。这是钟表制造者面临的一个困境。

时钟的未来发展还存在一个更基本的限制：已经证实的爱因斯坦理论认为，时间并不是绝对的。当引力增强或者时钟相对于其观测者快速运动的时候，任何时钟都会变慢——而当一个电子的磁极偏转或电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，都会发出单个的光子。科学家希望，通过在太空站里放置超精度时钟，对相对论进行最严格的测试。但是，一旦时钟精确到10^-18——相当于宇宙年龄不到半秒的误差，相对论效应将反过来考验科学家们。现在还没有技术能对这种精度的时钟进行校准。

向极限精度挺进

秒已经精确到小数点后14位了，比其他的基本单位都要精确1000倍。那我们为什么还要费力去改进原子钟呢?一个原因是，秒正在成为一个更加基本的单位。其他6个基本单位中的3个(米、流明和安培)现在都根据秒来定义，接下来可能就是千克和摩尔了。NIST的L．Steiner说：“重新定义千克只是一个时间问题。”利用著名公式E=mc，科学家可以将质量的单位与相当数量的能量如光子的集合等价起来。通过改进时钟，科学家改进的不仅仅是时间的计量，还包括其他物理量的计量问题。

更加稳定和便携的时钟设计对导航也很有好处，它们能提高全球定位系统及欧洲正在开发的有竞争力的伽利略系统的准确性和可靠性。更好的时钟可以帮助NASA跟踪卫星，也可使公共设备公司和通信公司在它们的网络中跟踪错误，还可以提高地质学家确定地震和核弹测试地点的能力。天文学家可以用它们来连接望远镜，显著提高图像的分辩率。而芯片大小的原子钟(见下图)价钱不贵，却可能有许多想像不到的用途。

要理解计时为什么会突然高速发展，我们需要稍微了解一下原子钟是如何工作的。原则上，一个原子钟就像其他的时钟一样，带有一个能规律地摆动的振荡器和一个将振荡转换为秒的计数器。铯原子钟的“摆”不是机械式的悬摆，也不是机电式的石英晶体。它是量子力学的：一个光子被铯原子的最外层电子吸收，引起高速自旋的电子不定向地飞离它的磁场。

与悬摆和石英不同，所有的铯原子都是一样的。而且每个铯原子被频率精确至每秒9 192 631 770个周期的微波轰击时都会被激发。为了测量秒，原子钟将它的微波发生器定位在具有最多铯原子反应的位置，称为“甜点”(sweetspot)。然后它就开始对周期进行计数了。

当然，量子物理学中的事物不会真的那么简单。通常它们遵循海森堡测不准原理。该原理对如何准确地测量单个光子的频率设置了严格的限制。现在最好的时钟能扫描lHz宽的甜点来找到它的准确中心。而海森堡原理会造成每一次测量产生1毫Hz左右的误差。宾夕法尼亚洲大学的物理学家Gibble解释说：“我们之所以能够这样计时，是因为它实际上不仅仅是一次测量，所以不会违反量子力学的定律。”

但是这一方案产生了其他的问题。在室温下，铯是柔软的银色金属。但因为它会与水发生剧烈反应，所以，在你的掌心里，它会化成金色的一摊——尽管你不想接触它。在铯原子钟里面，有一个加热炉，它将金属加热直到原子气化。这些热微粒能在微波室中以各种速度和角度散射，速度太快的粒子会由于相对论效应而出现时间似乎变慢的现象。对于其他的原子，微波(由于多普勒变换)显示出比它们实际高一些或低一些的频率。由于原子的行为不再一致，所以原子钟的精度受到影响。

海森堡可能曾经建议过将原子减速，而且这也是钟表制造者已经在做的事情。分别在NIST、华盛顿的美国海军天文台、巴黎标准协会以及德国的Braunschweig的世界上最好的四、五个时钟，都采用了超冷的铯原子球，它们穿过微波室时呈现喷泉状的弧(见54页钟表的编年史》一文图)。为了将铯原子的热气体冷凝成一个球，六道交叉式激光束将这些原子降温到两个微开尔文的温度以下。如此低温几乎完全消除了相对论和多普勒变换的影响，并给两米高的喷泉时钟有半秒时间来进行原子的喷发。始于1996年的喷泉时钟，迅速消除了国际原子时间中90％的误差因素。

太空中的时钟

要计时准确本身是很花时间的，喷泉钟仍在抓紧时间做这项工作。NIST的时间与频率处处长Sullivan说：“为了将观测的时间延长一倍，我们不得不将塔加高到原来的四倍。”Sullivan正领导着将喷泉钟安装到国际空间站的三项工程之一。他解释说：“在太空中，我们每秒可以发射一个15厘米的原子球到74厘米长的微波室。所以我们有5到10秒的时间来观测它们。”这项耗资2500万美元的“首次太空原子基准钟”(PARCS)工程应该可以精确至5／l0^17”秒。

如果PARCS工程能按计划在2005年底启动的话，太空站可能还会装上一个欧洲太空署的设备“太空集装原子钟”(ACES)。这两个钟的目的，都是通过与地面测量的对比，用99．99997％的准确率来检测低地轨道的微小引力对时间的减慢效应。

第三只钟，称为“铷原子实验钟”(RACE)，被安排在2008年启动。但是工程负责人Gibble希望它能早点上天。顾名思义，RACE将以碱金属铷取代钟表制造者常用的铯。Gibble解释说：“在最好的铯喷泉钟中，最大的误差源就是所谓的冷碰撞。”接近绝对零度时，量子物理学将使原子开始表现出波动性。他接着说，它们显得比正常时大数百倍，所以碰撞频繁得多。在温度为1毫开尔文时，艳拥有几乎最大的几率重叠区域，但是铷原子的有效尺寸只是艳的1/500"这可以使RACE精确到10-17，PARCS和ACES的精度提高了5倍。

铷原子钟还有一个优势:为观测精细结构常数α提供了机会。α决定了原子和分子中电磁场相互作用的强度。它非常接近1/137，是一个从物理学标准模型中导出的无单位量。它是一个很重要的量值一一我们知道，α值若改变很大，宇宙将不支持生命。

在物理学标准模型中，精细结构常数是永远不变的。但是在其他一些理论(如某种弦理论)中，α可以有轻微的被动或随时间增大。2001年8月，一组天文学家报道说，初步的证据证明α的值可能在过去60亿年里增加了1/10000，但这一问题难有定论。通过将拥原子钟与那些基于艳或其他元素的钟作对比，科学家也许能够将对α值波动的测量误差降低到原来的1/20。

激光标尺

除了铀取代艳之外，RACE是一个相当标准的喷泉钟。它用激光冷却原子，用微波来操纵电子的旋转，并以此计时。这是已经证明的可靠设计，但它不久就报废了。

2001年8月，A.Diddams及他的NIST同事报告了一个设备的简短试运行，该设备是很多钟表制造者从没想到能在有生之年看到的:一个基于单一水银原子的光学原子钟。将频率为10亿Hz的微波转变为10000亿Hz的可见光，光子包含有足够的能量将电子完全撞击到下一个电子层去，而不是对自旋的微扰动。它可能看起来是一个很自然的主意，但是尽管时钟在万亿Hz下仍能工作，计数器却不能工作了。

美国加州Pasadena的喷气推进实验室的A.Burt说"没有人能够每秒数1016下。我们需要一个联结微波王国的桥梁，而我们确实曾拥有电子计数器。"

1999年，Udem，W.Hansch和他们的普朗克量子光学研究所的同行找到了一个直接测量光的频率的方法-一利用10亿.Hz频率脉冲的参照激光。每个光脉冲正好是24飞秒(飞秒是极小的时间量，一秒中的飞秒数比从宇宙大爆炸到现在的所有小时数还多)。激光发射单一颜色的连续的光束，但人们能从每次的脉冲频闪中获得混合颜色。1飞秒的脉冲的光谱是一个奇观:数百万尖细的线条分布在整个光谱上，每条线与其相邻线条的间隔都是一样的——一就像标尺的刻度钱一样。"能制造这样一个每秒10亿次脉冲，而且组成频率都稳定在1赫兹的激光，是很难想象的，"Gibble边说边摇头。

NIST的Diddams研究小组已建立了初级的光学时钟，这个光学时钟是围绕着被固定在电磁捕集器里的水银离子的(见68页图)。因为每个原子都失去一个电子，离子都带有一个正电荷。它们互相排斥，所以不再存在碰撞问题。尽管这个设备仍然很脆弱，经常不能运行，但是它的每秒误差能稳定在6/10^16以下，将来还能降到10^-18 Sullivan承认"水银不是最理想的元素，使用时时钟的转换会随磁场漂移，并很难完全消除。现在有一种用铟的时钟转换颇具吸引力。

"Udem和Hansch比他更领先一步。他们已经在研究铟离子，并且看来很有可能把时钟带进Gibble所说的"第十八"(10^-18)0Braunschweig的物理和度量衡联合会的研究小组正在用不带电的艳原子做实验。因为中性的原子可以比离子更紧密的填充进电磁捕集器，所以可提高信一噪比。"还有一个众所周知的问题:只有50个离子的钟是否比有l亿个中性原子的钟更好?"Gibble若有所思地说。

会变的时间

无论如何，"很明显我们很快就将拥有精度进入"第十七"(10^-17)的时钟了，"Gibble如是说。但是，还是那个词:精度。Sullivan指出"光学时钟偏离了基于铯属性的秒的原子定义。"对于那些作为我们手表定时依据的最新最好的高精度时钟来说，该定义将不得不改变。Sullivan说决定这些事的国际计量局(BIPM)时间委员会最近接受了他的建议，即允许用"第二定义"来说明艳原子频率和其他原子频率的等效性。如果BIPM全体会议批准了这个提议，那么秒的定义将会被拓展，同时也弱化了它的权威性。

时钟制造者不容易绕过相对论。精确到1/10^17(300万年误差l毫秒)的时钟很容易被两个相对论效应破坏。第一个是时间膨胀:使时间跑慢。Gibble说"运动速度引起的时间膨胀会产生10^-17的频率漂移。"另一个干扰是重力。重力越强，时间越慢。珠峰顶上的时钟比海平面上的时钟每年要快30毫秒。Sllivan说:"在比较不同楼层的时钟时，我们已经不得不对这个影响进行校正。"将时钟升高10厘米就会使它的计时改变1/10^17。高度是相对容易测量的，相比之下，那些由地质情况如潮汐甚至地下数公里深的岩浆运动引起的重力变化更难测量。

最后，Gibble说：“如果你让我们用微波时钟尽量解析光谱线并外推到光学标尺，你可以达到10^-22的精度。但是，我当然不会宣称我们很快就能实现它。”也没有必要这么着急,对如何在两个时钟之间准确地进行时间传递，任何人心里都没有底。如果一个时钟你既不能移动又不能用另一个时钟进行校验，那它的好处在哪里呢?

段素珍/译 曾少立/校

便携式原子微型钟

“花不到100美元。我就可以做一个10瓦特的干扰器。把它放到纽约市，就可阻断城市里所有的GPS(全球定位系统)信号。”美国国家标准技术研究所(NIST)的Sullivan如是说。所有的导航都依赖于全球定位系统。原子钟越小，定位系统就越可靠。原子钟缩小到手表一般大小。它们就可以放进GPS的接收器里。超高的精度可以让系统工作在一个窄得多的频率宽度内，这样失望的就会是干扰器了。Sullivan报道说：“美国国防高级研究计划署(DARPA)有一个2000万美元的项目。旨在开发一种位于芯片上的原子钟。以便为通信和GPS接收器加密。”NIST的科学家在1999年建立了一个15立方厘米的样机(见下图)。他们的最新设计比这个样机小了95％。如果原子手表问世，它们不是为了让报时准确到接近纳秒。而是为了保障我们腕上电话的隐私。——W．W．G．

走向太空的原子钟

法国国家太空研究中心和其他属于所谓ACES工程的部分实验室建立的Pharao原子钟已经在零重力的飞机(右图)飞行中测试过了。该原子钟计划2005年装上国际太空站。Pharao是一个与PARCS项目相似的在美国实验室开发的工具，目的是能比地球上的任何时钟都更准确地记录时间。由激光超级冷却成气态球的铯原子被发射通过一个微波室。微波室改变了铯原子中的电子自旋。一道探测激光再次轰击铯原子。以便显示有多少原子进入了理想状态，并用反馈回路来调整微波的频率，直到它与铯原子中电子的“自旋一偏转”转换所固有的频率产生共振；这一转换能稳定时钟的计时。然后电子器件就能计数9 192 631 770个微波周期——国际上认可的严格意义上的一秒。

让原子告诉我们时间

每个时钟都至少有两个基本部分:一个振荡器和一个计数器。原子钟能这样准确是因为它还包含第3个要素:反馈系统。反馈系统能周期性地检查原子基准，以保证接近完美的振荡器计时。最新的光学离子钟以紫外探测激光作振荡数器，红外激光脉冲作计数器。而绕着一个几乎静止的单一水银原子的电子则起着最终基准的作用。一-W.W.G.

捕集与发光

在加热炉中，喷发水银的原子失去一个电子后离子化，带一个正电荷。然后电磁场使离子受限于环形捕集器的中心(1)。所谓的冷却激光(图中紫色)造成离子的最外层电子每秒数百万次地跃迁到不稳定的更高轨道上，并在跃回基态能级时发出荧光。这个荧光有两个作用：能将原子冷却到几乎绝对零度，以及允许科学家通过一个显微镜验证时钟仍在运行。一旦原子被冷却，稳定下来并发光，它作为时钟基准的准备工作就已经完成。

探测与延迟

离子钟中最接近振荡器的是探测激光(图4蓝色)。激光光子的颜色反映了它们振荡的频率。为了验证水银离子的频率没有减慢或加快，激光将周期性地照射它们。科学家将探测光调整为一精确的频率，这个频率能将离子最外层的电子轰击到亚稳轨道，因此可将该电子“延迟”达半秒。当激光调整到这个特殊的频率，电子停止发荧光，离子变暗。如果激光振荡器有漂移，离子会恢复闪烁。

匹配与计时

反馈系统调整激光的颜色直到荧光变得最小，这时探测光的扰动稳定下来，接着经由光纤传至计数器。探测每秒振动约10^15次，根本无法直接计数。第3束激光起着减速器的作用，它将时间信号从每秒10^15个周期减到大约每秒1O^8个周期。

第3束激光发射仅仅几个飞秒长的红外脉冲，脉冲间是暗色宽纹(6)。关键是锁定它的脉冲频率,使之与探测光的频率完全同步。为了做到这一点，时钟系统利用了一个奇异的事实：当穿过三棱镜时，每个超短波的脉冲都会分解成一道多色彩虹，各颜色都以规则的频率间隔分布，就像齿轮上各个齿具有不同的颜色一样(7和8)。通过移动可调整的棱镜，科学家可以改变脉冲之间的延迟，从而扩展或压缩了每个脉冲的频率范围。这使他们能够给“齿轮”定位，以便它的一个“齿”与探测光的颜色(即频率)匹配，这也意味着“齿轮”与水银离子的行为关联起来了。然后电子探测器在同步脉冲通过时对其进行计数，每秒钟10亿次，记录着时间的流逝。

万年钟

NASA的一个网站夸口说。NASA受太空站委托制作的精密原子钟“将是现有的全部时钟中最准确的。可做到3亿年误差只有1秒。”原子钟专家经常说得好像他们的时钟能够持续运转几千个世纪。但典型的铯原子钟BaIderdash只走了不足20年。还不如一只像样的手表走的时间长。

但是。在旧金山北部一个小机械车间里。一小群未来主义者和工程师正在研究设计一个能运转1万年的机械钟。主要设计者Hillis称之为万年钟。它不仅是一个功能性时钟。更是一个社会学实验。

Hillis表示：“时钟是连续性的象征；一个能真正长时间运转的时钟。可以给人们一种可视的感觉。帮助他们认识翻30OO年不再是一个抽像的概念。我们有记载的文明史可回溯到大约1万年前。这启发了我，所以我们要做一个向前运行1万年的钟。”

Hillis看起来不像是一项哗众取宠行动的领头人。在20世纪80年代。他设计了超级计算机；90年代又搞了主题公园旅行。今天。他只有一个小时的时间接受采访。而且其中半个小时还是在他去硅谷的路上进行的。他要去那里参加一个会议。

不管怎么说。在作家Brand,音乐家Eno及其他人的帮助下。Hillis正在努力设计一件耐久又激动人心的艺术品。该钟每年需要上一次弦。Hillis解释道：当你第一次见到它时。它显示的是上一个人调过的时间。你要给它上弦—一给它加点能量。它就会向前跑。并显示当前时间。”

Brand和Hillis是一个基金会的共同主席。这个基金会最近买下了内华达州的的一座山峰。他们希望这个纪念碑大小的终极时钟能够立在这座山峰上。通过山洞顶上的一条裂缝。正午的阳光聚焦在一条双金属的细长片上。它会触发一个砝码来校准时间，防止发生时间漂移。

虽然这听起来可能具有宗教式的崇高感。但Brand站在第二个样机模型旁坚决地说：我们不想创立一种宗教。目前的版本比在伦敦科学博物馆展出的第一个版本大了一倍。取消了圆形的刻度盘，却要装一个指明行星位置的大型天象仪。

该钟的表盘面下叠套着7个金属环，每个直径76厘米，环边上连着指示杆。垂直的轴销套着各环。因此当环转动时指示杆也跟着转动，就像一个机械二进制计算机一样地对小时计数并对日期进位。因为它是严格意义上的机械钟，故可以拆开进行检查。Hillis说：“如果它没有运转到100年以上，你可以设法重新启动它。”但是他的创意能否筹到足够的钱，让这个万年钟先运转起来，那就只有拭目以待了。