根據原子物（wù）理學的基本原理，當原子從一個能量態躍遷至低的能量態時（shí），它便會釋放電磁波。同一種原（yuán）子的電磁波特征頻率是一定的，可用作（zuò）一種節拍器（qì）來保持高度精確的時間。原子鍾就（jiù）是利用保持與原子的電磁波特征頻（pín）率同步作為（wéi）產生時間脈衝的節拍器。

　　2020年底，《自然》雜誌刊載了一篇來自美國麻省理（lǐ）工學院研究人員的成果報道，這些研究（jiū）人員利用量子（zǐ）糾纏（chán）現象（xiàng）新設計出一種原子鍾，如果（guǒ）運行約（yuē）140億年（大約是當前宇宙的年齡），該原子鍾（zhōng）可將時間精度保持在十分之一秒之內。而在同（tóng）樣的時間框架內，此前最（zuì）先進的原子鍾偏差在半秒左右。

　　自從人類意識到時間的流逝，就開始利用周期性現（xiàn）象進行追蹤。在古代，人們是觀察太陽、月（yuè）亮在天空中的運動來判斷時間的運行，隨著科學技術發展（zhǎn），人類測（cè）量（liàng）時間的手段也越來越（yuè）先進（jìn）。15世紀，依靠鍾擺和發條組（zǔ）成擒（qín）縱機構誕生，成為現代機（jī）械鍾表的核心，再後來又出現利用石英周期振動來計時的鍾（zhōng）表。到後來，原子鍾的出現成為人類計時（shí）史上的一次重大革命，它使得計時標準從天文學（xué）的宏觀領域轉向了物理學的（de）微觀（guān）領域，曆（lì）史從（cóng）此由“天文秒（miǎo）”時代進入“原子秒”時代，開啟了人（rén）類時間測量的嶄新階段。人類對時間的（de）測量和追蹤正在越來越接近宇宙的本源。

　　通過（guò）跟蹤原子振蕩來測量時（shí）間

　　生活中常以分（fèn）秒來（lái）計時，在當今太（tài）空探測（cè）、通（tōng）信導航、天文觀測、工業自動化等領域，越來越需要（yào）更精密的（de）時間測量。時間常常被（bèi）準確到萬分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了達到要求，許多精密的計時器誕生，原子鍾就是其中（zhōng）之一。

　　原（yuán）子鍾是世界上已知最精確的計時儀器，采用了最準確的時間測量和頻率標準，同（tóng）時這一標準也被認為是國際時間和頻率轉換的基準，廣泛應用於控製電視廣播和全球定位係統衛星的信號傳遞（dì）。原子鍾的研發涉（shè）及到量子物理學、電學、結構力學等眾多學科，目前國際上僅少數（shù）國家具有獨（dú）立研製能力。

圖（tú）片來源：視覺中國

　　根據原子物（wù）理學的基（jī）本原理（lǐ），原子是按照圍繞在原子核周圍不同電（diàn）子層的能（néng）量差，來吸收（shōu）或釋放電磁能量的。當（dāng）原子從一個“能量態”躍遷至更低的“能（néng）量態”時，它便會釋放電磁波。這種不連續的電磁波的頻率，就是（shì）人們所說的共（gòng）振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的——例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。原子鍾就是使用激光來測量原子的共振頻率，從而實現精準計（jì）時。

　　如果要追求近乎完美的時間測（cè）量，原子鍾必須去跟蹤單個原子的振（zhèn）蕩。但是按照量子力學的規律：當被測量時，原子（zǐ）振蕩的行為就像拋一（yī）枚硬幣，隻有在多次翻（fān）轉中取平均值才能給出相對（duì）穩（wěn）定的數值，這被物理學家稱（chēng）為標準量子極限。因此，今天（tiān）的原子鍾被設計用來測量由成千上萬個相同類型的原子組成的氣體，以便估算其平均振蕩頻率。

　　盡管原子（zǐ）鍾的類型有多種，但（dàn）其背後的原（yuán）理大致相同。目前最常見的原子鍾使用的原子包括氫、銫、銣等堿金屬原子。但元（yuán）素周期表中有100多種元素（sù），為何科學家偏偏對這幾種原（yuán）子（zǐ）情有獨鍾？

　　這是因為堿金屬（shǔ）原子內部隻有一個價（jià）電子，理論模型相對多價電子體（tǐ）係較為簡單。科學家在長（zhǎng）期實驗中發現，堿（jiǎn）金屬原子中銫原子鍾又最為穩定，誤差可低至每2000萬年1秒的水平。

　　據了解，銫原子鍾使用銫（sè）原子束，通過磁（cí）場將能級不同的銫原子分（fèn）離該時鍾將高穩定性銫振蕩器與GPS高精度授時、測（cè）頻及時間同步（bù）技術有機結（jié）合（hé）在一起，使銫振蕩器輸（shū）出（chū）頻率馴服同步於GPS衛星銫（sè）原（yuán）子鍾信號上，提高了頻率信號的長期穩定（dìng）性和準確度，能夠提供銫鍾（zhōng）量級的（de）高精度時間頻率標準，是通信廣電等部門替代銫鍾的高性價比產品。

　　氫原子鍾將氫原子（zǐ）保持（chí）在四周由特殊材（cái）料製成的容器中，從而使氫（qīng）原（yuán）子保持所需（xū）的能級，而不至於太快失去其較高的能量狀態，但（dàn）是（shì）環（huán）境溫度變化及微波諧振腔老（lǎo）化會引起其（qí）輸出頻率的變化，從而導（dǎo）致氫原子鍾長期性能變差，為了減小這些影響，可借助（zhù）自動調諧器來（lái）確（què）保諧振腔的頻率始終工作在所需的頻率上，並采（cǎi）用新的溫度控製係統來（lái）改善氫原（yuán）子鍾的長期性能。

　　銣原子（zǐ）鍾是所有原子鍾中最簡（jiǎn）單也最緊湊的一種，它使用（yòng）裝有銣氣的玻璃腔，銣（rú）氣在（zài）周圍的微波頻（pín）率（lǜ）恰到好處時，就會按照銣原子的（de）振蕩頻（pín）率改變其光吸（xī）收率。銣原子鍾溯源同步到（dào）GPS衛星銫原子鍾上，輸出頻率幾乎沒有漂移，性能與銫原子鍾相近，而（ér）且不存在銫原子鍾那樣銫束管壽命短需要高成本更換的問（wèn）題。

　　量（liàng）子（zǐ）糾纏讓計時精度 有（yǒu）了大幅提升

　　那麽原子鍾是如何誕生的呢？

　　1945年，美國哥倫比亞大學物理學教授伊西多·拉比提出，可以用他在上世紀30年代開發的原（yuán）子束磁共振（zhèn）技術製作鍾表；1949年，美國國家標準技術研究院（NIST）的前身美國國家標準局（jú）公布了世（shì）界上第一個使（shǐ）用氨分子作為（wéi）振動源的原子鍾；1952年，NIST宣布了（le）第一個使用銫原子作為振蕩源的原子（zǐ）鍾NBS-1。

　　1955年，英國國家物理實（shí）驗室製造（zào）了第一個用作（zuò）校準源的銫鍾。1967年，第十三屆度量衡（héng）大會基於銫原子的振蕩定義了1秒時間，從那時起全球計時（shí）係統拋棄了天文曆書時，進入了原子時時代。1968年建成的NBS-4是當（dāng）時世界上最穩定（dìng）的銫（sè）原（yuán）子鍾，並在上世紀90年代被用（yòng）作NIST授時係統的一部分。

　　NIST最（zuì）新的銫（sè）原子鍾NIST-F1能（néng）夠將時間精度保持（chí）在每年約300億分之一秒，這是NIST建造的一係列銫鍾中的第8個，也是NIST第一個以“噴泉”原理工作的銫（sè）鍾。

　　通常原（yuán）子鍾（zhōng）是用激光把（bǎ）數千個原子關在一個光學“陷阱”裏，然後用另一種頻率（lǜ）與被測原子振動頻（pín）率相似的激光探測它們。

　　將原（yuán）子（zǐ）以經典物理學定律不可能的方式關聯在一起，使科學家能夠更準確地測量原子的（de）振蕩。麻省理工學院的研究小組認為（wéi），如（rú）果原子被糾纏，它們的單個振蕩將在一個共同（tóng）的頻率附近收（shōu）緊，與不被糾纏相比，偏差較小。因此，原子鍾可以測量的平均振蕩將具有超出標準量子極限（xiàn）的精度（dù）。

　　研究人員糾纏了約350個鐿原（yuán）子，該元素每（měi）秒比常規原子鍾所使用的銫原子的（de）振蕩頻率高10萬倍。該小組使用標準技術冷卻原子並將其捕獲，困在由兩個反射鏡（jìng）形成的光學腔中。然後，他們通過（guò）激光（guāng）腔發出激光，使其在反射鏡之間反射，與原子反複相互作用並糾纏它們。

　　通過這種（zhǒng）方式，研究人員將原子糾纏在一起，然後使用（yòng）類似於現有原子鍾的另一激光來（lái）測量（liàng）其振蕩的平均頻率。與不糾纏原子的類似實驗相比，他們發現帶有糾纏原子的原子鍾達到了所需精度的4倍。

　　既有助於解碼宇宙又能服務生（shēng）活

　　與生活中（zhōng）常見的（de）鬧（nào）鍾、手表等計時（shí）器不同，我（wǒ）們在（zài）日常生活中很難（nán）一窺原子鍾的真（zhēn）麵目。事實上，原子鍾既高大（dà）上又（yòu）接地氣。說它高大上，是因為它或（huò）許（xǔ）能（néng）幫助（zhù）解碼宇宙中神秘莫測的信號；說它接地氣，是因為如果沒有它的（de）幫助，手機上的導航就會把你帶偏不止一點點。

　　衛星定（dìng）位係統都是通過獲得衛星和用戶（hù）接收（shōu）機之間的（de）距離來計算的，而距離等於傳播時間乘（chéng）以光速（sù），因此精確的距離測量實際上就是精確的時間測量。沒有高精度的時頻，衛星（xīng）導航定位係統就不可能實現高精度的導航與定位。所謂失之毫“秒”謬以千裏，這正是原子鍾大顯身手的（de）地（dì）方。

　　由（yóu）於引力會影響時間的流逝，因（yīn）此距離海平麵更近的時鍾實際上比珠穆朗瑪峰上的時鍾慢一點，這意味著物理學家（jiā）可以使用原（yuán）子鍾來測定地（dì）球的形狀、大小和地球重力場等，這是一個被稱為大地（dì）測量學的科學領域。

　　為（wéi）了提高測量精度，天文學家已開始將設施同步到單個精確的（de）時間標準。這種同步（bù）會改（gǎi）善被稱為超長基線幹（gàn）涉法（fǎ）的天文成像技術，該方法（fǎ）涉及多個天文台協同成像一個原本無法用單個望遠鏡分辨的物體。例如，天文學家今（jīn）年早些時候使用這種技術拍攝了黑洞的第一張圖像。更好的時間同步將可以實現更高分辨率的成像，因此也需（xū）要原子（zǐ）鍾（zhōng）來幫（bāng）忙（máng）。

　　此外，如果原子鍾能夠更準確地測量原子振蕩，那麽它（tā）們將足夠（gòu）靈敏以檢測諸如暗物質和引力波之類的現（xiàn）象。有了更好的原子鍾，科學家還可以開始回（huí）答一些令人費解的問（wèn）題（tí），例如重力對時間（jiān）的（de）流逝可能產（chǎn）生什麽影響，以及時間（jiān）本身是否隨（suí）著宇宙（zhòu）的老化而改變。