網站地圖 | 聯系我們 | English | 中國科學院
站內搜索:
科學傳播
 您現在的位置:首頁 > 科學傳播 > 科普文章
【科普中國】未來時間之源——光鐘
文章來源: 科普中國 發布時間:2016-02-23 字體大?。骸?a href="javascript:doZoom(16)">大

  http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201602/201602/t20160213_19635.html

   星空浩瀚,地球章動,四季更替,草木枯榮。從人類意識覺醒開始,“時間”便如影隨形。經過幾千年的探索,人們發現,自然界中某些天體具有不變周期的運動,時間在自然界中以周期運動展現。于是人們開始以自然界周期性運動作為時間的度量,這是時間最早的概念。我們賴以生存的地球,其周期運動產生了人類和地球上其它生物最能感知的時間量度。地球自轉,讓人感知晝夜,以此作息;地球公轉,一次一年,沉積在時光中?! ?/p>

  鐘,是人類為了精準度量時間而發明的儀器。

  隨著社會的發展,人類活動對時間度量的精準性要求越來越高。從太陽升落、日晷、沙漏,到水鐘、機械鐘、石英鐘,再到原子鐘。鐘的發展,體現著人類在探索自然奧妙過程中所展現出來的超高智慧。目前,世界上最精準的原子鐘——鍶原子光晶格鐘,其穩定度已達10-18次量級,這相當于160億年不差一秒。

  那么如此高精度的原子鐘是如何實現的?又會對我們認識宇宙及社會發展有何影響?  

   

  千百年來,地球的自轉周期和公轉周期一直起著“鐘”的作用,但是它們的周期太長,不便于日常應用。為了滿足測量較短時間間隔的需要,人們開始采用人為的周期運動,如單擺和電磁振蕩的周期作為時間計量標準。之后,隨著科技文明的發展,人們越來越傾向于使用周期更短的時間標準。由于時間與頻率互為倒數的關系,對于短周期運動而言,采用頻率描述無疑會是更為便捷的方法。

   量子物理發現,原子內部存在著一些分立的能量狀態,這些能量狀態在一定頻率的電磁波作用下,會產生躍遷。量子物理還發現,電磁波的能量也是不連續的,而是一份一份的攜帶在每一個光子中,每一個光子的能量值嚴格取決于電磁波的頻率。不同的躍遷對頻率的匹配要求不一樣,當光子的能量與原子內部兩個狀態的能量差相等時,也就是所謂的共振的時候,躍遷發生的幾率最大;當光子的能量與原子內部兩個狀態的能量差存在一定的差距時,躍遷的幾率就會下降。某些原子內部存在對電磁波頻率匹配要求很高的躍遷,利用這種躍遷來校準電磁波的頻率,使得電磁波的頻率時鐘與躍遷頻率一致,就是所謂的原子鐘。   

   下面來看看,世界上最精準的原子鐘——鍶原子光鐘,是如何工作的。

  為了探測到鍶原子內部頻率穩定性極高的躍遷,即所謂的鐘躍遷,需要使原子處于非?!袄洹钡臓顟B,即要讓鍶原子的運動速度要達到厘米每秒的量級,這速度貌似比蝸牛能快點。當然,要達到這么慢速度,當然不是靠放入冰箱降溫那樣的辦法來實現??茖W家發明了一種叫激光冷卻的辦法,能使原子達到蝸牛般的速度。具體做法貌似也有那么一點點復雜。

  如何“冷靜”燥熱的鍶原子? 

  首先,我們要為鍶原子制造一個真空環境,以免其他原子來搗亂。在這個真空環境中,鍶原子在一個高溫爐中被加熱到500攝氏度左右,這時候一部分原子會被汽化,速度在四百到五百米每秒左右,這相當于子彈的速度!  

   讓這些汽化的原子,沿著特定的方向噴出,形成原子束,而后穿過一個塔狀線圈做成的東西,叫塞曼減速器,它的中心軸線是一個梯度磁場。同時在與原子束相反的方向射入一束激光,原子在經過塞曼減速器的同時,瘋狂地吸收來自迎面射來的光子,同時又隨機向各個方向吐出這些光子,每吸收一個光子,原子的速度就會減慢一點。由于原子在不斷的吸收和吐出光子,所以它從來不會被撐死,而且速度那是相當的快,每秒能吃上億個光子,所以原子能在很短的時間內被減速下來?! ?/p>

 

  經過塞曼減速器之后,原子的速度降到了大概五十米每秒,時速約為一百八十公里,貌似趕上動車的速度了,這不行啊,還是太快了,而且原子還到處跑。

  因此,在塞曼減速器之后,科學家又設計了一個井,而且是里面滿是糖漿的井,原子只要跳進了這個井,就會被囚禁住,而且會被巨大粘力困得簡直無法動彈。慢著,這井到底是怎么回事?這井當然不是你想的那種井了,它由兩個通電線圈組成,這兩個線圈通的電流等大但方向相反,于是在這兩個線圈的對稱中心會形成一個各個方向基本對稱的梯度磁場,然后再用六束激光指向那個對稱中心,這個時候原子受到了兩種力,一種力是把原子拉向那個對稱中心以免逃走,另外一種力是粘滯力,使原子運動得更慢??茖W家把這種井叫“磁光阱”。

  不對,“阱”是不是寫錯了?沒錯!重點不是這個,重點在于頑強的鍶原子在這個井(阱)里還沒有安靜下來,還能以一厘米每秒的速度在運動。不過不要緊,經過這兩番折騰,瘋狂的原子這個時候已經筋疲力盡了。此時的原子團具有很高的密度,加上重力的影響,原子團并非處于一個“無擾”的狀態,因此需要把它局限在一個小小的地方不隨意走動,是不是有那么點過分?! ?/p>

   接著,我們用一個叫“魔術波長”的激光,形成一個駐波,這些駐波也是一系列淺淺的阱,原子會被封裝在這一個個格子里。當然這個格子很小,只有魔術波長光的波長那么大,也就是八百多納米。所謂魔術波長,是因為這個波長的光不會影響鐘躍遷的頻率,而其它波長的光都會有較大影響,是不是真的有那么點魔術,有木有?

  

 

  我們對冷原子做了什么?  

   對了,鍶原子光鐘的鐘躍遷頻率很高,每秒鐘振蕩幾百萬億次。暈,這能數得過來不,數不過來的話又有什么用???不過,這不是問題,科學家很聰明的,他們發明了一種用來量光學頻率的尺子,光譜看起來神似一把梳子,名曰“光梳”。這把梳子的每一個齒,都是一個頻率確定的激光。利用這把梳子還能把頻率極高的鐘躍遷探測激光的穩定性傳遞到射頻段?,F代的電子學設備,能很精準地數出射頻的頻率,從而使得鍶原子光鐘極高的穩定性能得到更廣泛的應用。

  這,就是鍶原子光晶格鐘。

  如此高精準的鐘,到底有什么用? 

  當然不會是為了上班打卡更準時,亦或是——新聞聯播更精確?! ?/p>

  在民用方面,相信很多人旅游都會用到手機的一項很實用的軟件——手機導航。GPS是一個大家最常見的導航系統。再上升一個層次,精確的原子鐘可以為導彈、衛星和航天飛機的發射、測控和制導提供高精度的時間信號。所以,高精度的原子鐘絕對是航空、軍事乃至國際安全的基礎。

  

 

  正所謂,只有安靜下來才能看見真的自己,同樣,只有安靜的原子才能探測到真的鐘躍遷。利用這種安靜的原子,科學家能精準地探測到鐘躍遷的頻率。不過要準確地探測鐘躍遷,則要求探測激光在短時間內頻率極其穩定,這就好比不能用鉗子來挑扎在肉里的小刺。而這個激光的頻率長期穩定性會被鎖定在鐘躍遷的共振頻率上,從而使得該激光器的頻率在短期和長期中都有極高的穩定性。這臺激光器,便是一個頻率非常穩定的振蕩器?! ?/div>

  

 

  “科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

  

Copyright@2009 By NTSC, ALL Rights Reserved
備案序號:陜ICP備05006479號
陜西省西安市臨潼區書院東路3號 電話:029-83890326 傳真:029-83890196 郵編:710600
亚洲一区二区三区少妇_亚洲一区二区三区久久_亚洲一区二区三区高清在线观看_亚洲一区二区三区高清在线
<蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>|