根據原子物理學的基本原理，當原子從(cong) 一個(ge) 能量態躍遷至低的能量態時，它便會(hui) 釋放電磁波。同一種原子的電磁波特征頻率是一定的，可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。

原子鍾就是利用保持與(yu) 原子的電磁波特征頻率同步作為(wei) 產(chan) 生時間脈衝(chong) 的節拍器。

2020年底，《自然》雜誌刊載了一篇來自美國麻省理工學院研究人員的成果報道，這些研究人員利用量子糾纏現象新設計出一種原子鍾，如果運行約140億(yi) 年（大約是當前宇宙的年齡），該原子鍾可將時間精度保持在十分之一秒之內(nei) 。而在同樣的時間框架內(nei) ，此前最先進的原子鍾偏差在半秒左右。

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

通過跟蹤原子振蕩來測量時間

生活中常以分秒來計時，在當今太空探測、通信導航、天文觀測、工業(ye) 自動化等領域，越來越需要更精密的時間測量。時間常常被準確到萬(wan) 分之一秒，甚至百萬(wan) 分之一秒。為(wei) 了達到要求，許多精密的計時器誕生，原子鍾就是其中之一。

原子鍾是世界上已知最精確的計時儀(yi) 器，采用了最準確的時間測量和頻率標準，同時這一標準也被認為(wei) 是國際時間和頻率轉換的基準，廣泛應用於(yu) 控製電視廣播和全球定位係統衛星的信號傳(chuan) 遞。原子鍾的研發涉及到量子物理學、電學、結構力學等眾(zhong) 多學科，目前國際上僅(jin) 少數國家具有獨立研製能力。

根據原子物理學的基本原理，原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。當原子從(cong) 一個(ge) “能量態”躍遷至更低的“能量態”時，它便會(hui) 釋放電磁波。這種不連續的電磁波的頻率，就是人們(men) 所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的——例如銫133的共振頻率為(wei) 每秒9192631770周。原子鍾就是使用激光來測量原子的共振頻率，從(cong) 而實現精準計時。

如果要追求近乎完美的時間測量，原子鍾必須去跟蹤單個(ge) 原子的振蕩。但是按照量子力學的規律：當被測量時，原子振蕩的行為(wei) 就像拋一枚硬幣，隻有在多次翻轉中取平均值才能給出相對穩定的數值，這被物理學家稱為(wei) 標準量子極限。因此，今天的原子鍾被設計用來測量由成千上萬(wan) 個(ge) 相同類型的原子組成的氣體(ti) ，以便估算其平均振蕩頻率。

盡管原子鍾的類型有多種，但其背後的原理大致相同。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。但元素周期表中有100多種元素，為(wei) 何科學家偏偏對這幾種原子情有獨鍾？

這是因為(wei) 堿金屬原子內(nei) 部隻有一個(ge) 價(jia) 電子，理論模型相對多價(jia) 電子體(ti) 係較為(wei) 簡單。科學家在長期實驗中發現，堿金屬原子中銫原子鍾又最為(wei) 穩定，誤差可低至每2000萬(wan) 年1秒的水平。

據了解，銫原子鍾使用銫原子束，通過磁場將能級不同的銫原子分離該時鍾將高穩定性銫振蕩器與(yu) GPS高精度授時、測頻及時間同步技術有機結合在一起，使銫振蕩器輸出頻率馴服同步於(yu) GPS衛星銫原子鍾信號上，提高了頻率信號的長期穩定性和準確度，能夠提供銫鍾量級的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(jia) 比產(chan) 品。

氫原子鍾將氫原子保持在四周由特殊材料製成的容器中，從(cong) 而使氫原子保持所需的能級，而不至於(yu) 太快失去其較高的能量狀態，但是環境溫度變化及微波諧振腔老化會(hui) 引起其輸出頻率的變化，從(cong) 而導致氫原子鍾長期性能變差，為(wei) 了減小這些影響，可借助自動調諧器來確保諧振腔的頻率始終工作在所需的頻率上，並采用新的溫度控製係統來改善氫原子鍾的長期性能。

銣原子鍾是所有原子鍾中最簡單也最緊湊的一種，它使用裝有銣氣的玻璃腔，銣氣在周圍的微波頻率恰到好處時，就會(hui) 按照銣原子的振蕩頻率改變其光吸收率。銣原子鍾溯源同步到GPS衛星銫原子鍾上，輸出頻率幾乎沒有漂移，性能與(yu) 銫原子鍾相近，而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題。

量子糾纏讓計時精度 有了大幅提升

那麽(me) 原子鍾是如何誕生的呢？

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

1955年，英國國家物理實驗室製造了第一個(ge) 用作校準源的銫鍾。1967年，第十三屆度量衡大會(hui) 基於(yu) 銫原子的振蕩定義(yi) 了1秒時間，從(cong) 那時起全球計時係統拋棄了天文曆書(shu) 時，進入了原子時時代。1968年建成的NBS-4是當時世界上最穩定的銫原子鍾，並在上世紀90年代被用作NIST授時係統的一部分。

NIST最新的銫原子鍾NIST-F1能夠將時間精度保持在每年約300億(yi) 分之一秒，這是NIST建造的一係列銫鍾中的第8個(ge) ，也是NIST第一個(ge) 以“噴泉”原理工作的銫鍾。

通常原子鍾是用激光把數千個(ge) 原子關(guan) 在一個(ge) 光學“陷阱”裏，然後用另一種頻率與(yu) 被測原子振動頻率相似的激光探測它們(men) 。

將原子以經典物理學定律不可能的方式關(guan) 聯在一起，使科學家能夠更準確地測量原子的振蕩。麻省理工學院的研究小組認為(wei) ，如果原子被糾纏，它們(men) 的單個(ge) 振蕩將在一個(ge) 共同的頻率附近收緊，與(yu) 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的精度。

研究人員糾纏了約350個(ge) 鐿原子，該元素每秒比常規原子鍾所使用的銫原子的振蕩頻率高10萬(wan) 倍。該小組使用標準技術冷卻原子並將其捕獲，困在由兩(liang) 個(ge) 反射鏡形成的光學腔中。然後，他們(men) 通過激光腔發出激光，使其在反射鏡之間反射，與(yu) 原子反複相互作用並糾纏它們(men) 。

通過這種方式，研究人員將原子糾纏在一起，然後使用類似於(yu) 現有原子鍾的另一激光來測量其振蕩的平均頻率。與(yu) 不糾纏原子的類似實驗相比，他們(men) 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(yu) 解碼宇宙又能服務生活

與(yu) 生活中常見的鬧鍾、手表等計時器不同，我們(men) 在日常生活中很難一窺原子鍾的真麵目。事實上，原子鍾既高大上又接地氣。說它高大上，是因為(wei) 它或許能幫助解碼宇宙中神秘莫測的信號；說它接地氣，是因為(wei) 如果沒有它的幫助，手機上的導航就會(hui) 把你帶偏不止一點點。

衛星定位係統都是通過獲得衛星和用戶接收機之間的距離來計算的，而距離等於(yu) 傳(chuan) 播時間乘以光速，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，衛星導航定位係統就不可能實現高精度的導航與(yu) 定位。所謂失之毫“秒”謬以千裏，這正是原子鍾大顯身手的地方。

由於(yu) 引力會(hui) 影響時間的流逝，因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，這意味著物理學家可以使用原子鍾來測定地球的形狀、大小和地球重力場等，這是一個(ge) 被稱為(wei) 大地測量學的科學領域。

為(wei) 了提高測量精度，天文學家已開始將設施同步到單個(ge) 精確的時間標準。這種同步會(hui) 改善被稱為(wei) 超長基線幹涉法的天文成像技術，該方法涉及多個(ge) 天文台協同成像一個(ge) 原本無法用單個(ge) 望遠鏡分辨的物體(ti) 。例如，天文學家今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，因此也需要原子鍾來幫忙。

此外，如果原子鍾能夠更準確地測量原子振蕩，那麽(me) 它們(men) 將足夠靈敏以檢測諸如暗物質和引力波之類的現象。有了更好的原子鍾，科學家還可以開始回答一些令人費解的問題，例如重力對時間的流逝可能產(chan) 生什麽(me) 影響，以及時間本身是否隨著宇宙的老化而改變。