什么是原子钟

 

更精确的全光学原子钟

　　美国《科学》杂志于2001年7月12日公布的一项研究结果表明，美国政府科学家已经将先进的激光技术和单一的汞原子相结合而研制出了世界上最精确的时钟。位于美国科罗拉多州博尔德城的美国国家标准与技术研究所的科学家研制出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子钟。由于这种时钟的研制主要是依靠激光技术，因而它被命名为“全光学原子钟”。

　　我们知道原子时钟的“滴答”来自于原子的转变，在当前的原子钟中，铯原子是在微波频率范围内转变的，而光学转变发生在比微波转变高得多的频率范围，因此它能够提供一个更精细的时间尺度，也就可以更精确地计时。这种新研制出来的全光学原子时钟的指针在1秒钟内走动时发出的“滴嗒”声为一千的五次幂(在1后加15个零所得的数)，是现在最高级的时钟――微波铯原子钟的十万倍。所以，用它来测量时间将更精确得多。

　　所有时钟的构造都包括两大部分：即能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。在大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。目前最高级的原子钟，就是利用100万个液态金属铯原子对微波辐射做出反应来控制时钟指针的走动。这样的时钟指针每秒钟大约走动100亿次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。但是铯原子钟使用的高速电子学技术并不能计算更多的时钟指针走动次数。因而，美国科学家在研究新型的全光学原子钟时使用的不是铯原子，而是单个冷却的液态汞离子（即失去一个电子的汞原子），并把它与功能相当于钟摆的飞秒（一千万亿分之一秒）激光振荡器相连，时钟内部配备了光纤，光纤可将光学频率分解成计数器可以记录的微波频率脉冲。

　　要制造出这种原子钟需要有能够捕捉相应离子，并将捕捉到的离子足够静止来保证准确的读取数据的技术，同时要能保证在如此高的频率下来准确的计算“滴答”的次数。这种时钟的质量依赖于它的稳定性和准确性，也就是说，这个时钟要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相一致。

　　领导这一研究的美国物理学家斯科特·迪达姆斯（S.A. Diddams）说：“我们首次展示了这种新一代原子钟的原理，这种时钟可能比目前的微波铯原子钟精确100到1000倍。”它可以计算有史以来最短的时间间隔。科学家们预言这种时钟可以提高航空技术、通信技术，如移动电话和光纤通信技术等的应用水平，同时可用于调节卫星的精确轨道、外层空间的航空和联接太空船等。