揭秘“時間魔盒”原子鐘

什么是時間？有人低頭望向了手表，對，時鐘會告訴我們時間，它無處不在，我們也會用稍縱即逝、白駒過隙、光陰似箭等成語形容時間的流逝。站在科學和技術的角度上，時間是這樣被定義的，它作為一個尺度，用于比較事件發生的先后。在確定時間起點之后，用世紀、年、月、日、時、分、秒來記錄時刻值，就好像一把尺子。

這就與我們的生活息息相關了，例如，每天晚上7點，新聞聯播準點報時；奧運會賽場上，蘇炳添在百米賽跑中跑出了9秒83的成績；2021年10月16日0時23分，搭載“神舟十三號”載人飛船的運載火箭發射成功。

原子是組成物質的非常微小的粒子，在宇宙形成之初便存在了。原子雖小，其內部也是一個復雜且精彩的世界。原子由原子核及在核外沿軌道飛行的電子組成。電子有自己固定的若干個飛行軌道，當其從一個軌道跳變到另一個軌道時，能量會發生改變，需要吸收或釋放電磁波。而這個電磁波，就是我們所說的振蕩頻率，它非常地穩定，即同一種原子，當電子在兩個固定軌道間跳變時，吸收或釋放的振蕩頻率是相同的。

有了穩定的電磁振蕩之后，問題又來了：如何將這個穩定的振蕩頻率從原子中提取出來呢？我們在此以銣原子鐘為例進行說明。我們將一群銣原子囚禁起來，并放在一個特定的激光場中，銣原子內的電子吸收激光場的能量，即光子，電子便偏離自己本身的軌道，跳變到另一個軌道上。當所有的銣原子都完成這一步驟后，便不再會吸收光子了，這時，激光場的能量不再發生變化。

此時，我們利用電磁學手段給銣原子加上一個微波場，當微波場的頻率與銣原子的振蕩頻率相等時，銣原子中的電子會紛紛從新軌道跳回最初的軌道上，這時，銣原子又要開始吸收光子，激光場能量發生波動。因此，隨著我們改變微波場的頻率，當檢測到激光光強變弱時，便得到了銣原子的振蕩頻率。有了這個頻率之后，我們便可以將它作為標尺來測量時間。

必須要指出的是，這把尺子非同一般。原子的振蕩頻率非常快，我們把它和單擺作一下比較，單擺幾秒鐘擺動一下，而銣原子產生的電磁振蕩，一秒鐘擺動了10的9次方次，即10億次。用如此細微的一把尺子來衡量時間，難怪時間的測量精度如此的高呢！

那么，原子鐘究竟有多準呢？讓我們來跟機械手表、石英鐘對比一下，當我們戴著機械手表開著車，繞著北京四環跑一圈，大概一個小時吧，機械手表就偏差了一秒。對于石英鐘來說，偏差1秒差不多需要270年，也就是說，假如我們戴著一塊石英鐘回到清朝，在乾隆下江南偶遇夏雨荷時送給她，那么，直到今天，這塊表只偏差了1秒。原子鐘偏差一秒需要多久呢？答案是3000萬年。假如我們送給地球上最后一只霸王龍一臺原子鐘，那么，直到今天，這臺原子鐘只偏差了2秒。

首先，我們需要對原子有充分的了解，包括物理、化學性質，內部結構，電子特性等等，進而選出適合研制原子鐘的原子。放眼元素周期表上一百多種元素，適合研制原子鐘的只有十余種，而這些原子，又有著不同的脾氣與秉性，需要被區別對待。

在選定了原子之后，就要抓住它們，有的原子可以通過加熱的方法，把它們趕進一個小房子內；有的呢，則需要動用我們的激光武器，用激光將它們困住。當然，隨著科研工作者的不斷探索與努力，抓原子的方式，也在不斷更新。

這些原子非常嬌貴、靈敏，外界一點點風吹草動，它們就會受到影響。因此，抓住原子之后呢，我們還要保證它們不被外界打擾。

首先，我們要為它們構造一個恒溫空調房，讓它們感受到恒定舒適的溫度，不會被晝夜溫差、一陣風吹過帶來的涼爽所影響。然后，它們還需要一個能夠屏蔽外界所有磁信號的保護層，我們知道，地球自身存在磁場，我們使用的電器、通信工具等，也都會發射或接受電磁波，這些，都會帶來原子性能上的差異。

解決完原子的問題之后，我們又需要把它的振蕩信號提取出來，就好像我們要在原子房子的周圍進行配套設施建設。這時，科研工作者面臨的問題就更多了，他們需要用到激光光譜學、電學、結構力學等眾多學科的知識。可以說，每一個原子鐘研發人員，都有著“三頭六臂”呢！

一臺原子鐘，可能會用到幾十顆甚至數百顆螺絲釘，數百個電子元器件，經過上千次測試驗證，凝結著無數科研工作者的心血。