原子鍾的發現

直到本世紀20年代，最精確的時鍾還是依賴於鍾擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鍾是基於石英晶體有規則振動而製造的，這種時鍾的誤差每天不大於千分之一秒。即使如此精確，但它仍不能滿足科學家們研究愛因斯坦引力論的需要。根據愛因斯坦的理論，在引力場內，空間和時間都會彎曲。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個時鍾，比海平麵處完全相同的一個時鍾平均每天快三千萬分之一秒。所以精確測定時間的唯一辦法隻能是通過原子本身的微小振動來控製計時鍾。NIST F-1原子鍾，它由170個元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位於中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動，發出極為規則的“信號”。

　　本世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生在研究原子及其原子核的基本性質時所獲得的成果，使基於上述原子計時器的時鍾研製取得了實質性進展。在拉比設想的時鍾裏，處於某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，並因此而經曆從原先的超精細態到另一態的躍遷。反饋回路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鍾就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈衝，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。1949年，拉比的學生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鍾更加精確。1989年，拉姆齊因此而獲得了諾貝爾獎。

　　二戰後，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鍾是由美國國家物理實驗室的埃森和帕裏合作建造完成的，但這個鍾需要一個房間的設備，所以實用性不強。另一名科學家紮卡來亞斯使得原子鍾成為一個更為實用的儀器。紮卡來亞斯計劃建造一個被他稱為原子噴泉的、充滿了幻想的原子鍾，這種原子鍾非常精確，足以研究愛因斯坦預言的引力對於時間的作用。研製過程中，紮卡來亞斯推出了一種小型的原子鍾，可以從一個實驗室方便地轉移到另一個實驗室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鍾。兩年後該公司生產出了第一個原子鍾，並在四年內售出50個。原子鍾，它最初本是由物理學家創造出來用於探索宇宙本質的；他們從來沒有想過這項技術有朝一日竟能應用於全球的導航係統上，如今用於GPS的銫原子鍾都是這種原子鍾的後代。

　　到了1967年，關於原子鍾的研究如此富有成效，以至於人們依據銫原子的振動而對秒做出了重新定義。如今的原子鍾極其精確，其誤差為10萬年內不大於1秒。曆經數年的努力，三種原子鍾――銫原子鍾、氫微波激射器和銣原子鍾（它們的基本原理相同，區別在於元素的使用及能量變化的觀測手段），都已成功的應用於太空、衛星以及地麵控製。現今為止，在這三類中最精確的原子鍾是銫原子鍾，GPS衛星係統最終采用的就是銫原子鍾。

    今天，名為NIST F-1的原子鍾是世界上最精確的鍾表，但它並不能直接顯示鍾點，它的任務是提供“秒”這個時間單位的準確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標準和技術研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部內。1999年才建成的這座鍾價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年內，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鍾既沒有指針也沒有齒輪，隻有激光束、鏡子和銫原子氣。


中科院