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　　時間究竟是什么?——時間的定義計量

　　說起時間，每個人都會說我知道。可是，時間究竟是什么，卻總是很難說清楚。其實，自從地球上出現(xiàn)人類的那天起，時間的測量一直是人類日常生活必不可少的一項工作。時間作為基本物理量之一，是目前測量精度最高也是人類生活應用最廣泛的物理量。時間的單位是秒，最早的時間是以地球自轉作為標準，稱為世界時。它對秒的定義是指一個平太陽日的1/86400為1秒。

　　后來的研究發(fā)現(xiàn)，地球自轉速率并不均勻，之后經過長期觀測后，人們采用準確度更高的歷書時對時間單位“秒”進行定義。這種基于天體測量對時間進行定義的天文時間對人類歷史的發(fā)展作出了巨大的貢獻。然而天體的運動速率并不是完全均勻的，其周期也并非完全穩(wěn)定，因此對測量的精度有很大的限制，而且觀測時間長，不能很好地滿足現(xiàn)代科學技術高速發(fā)展的需要。

　　如何精確量出一秒?——原子時的出現(xiàn)

　　隨著量子物理學(激光冷卻原子技術)和激光光譜學的迅速發(fā)展，人們開始認識到原子或分子振蕩的周期非常穩(wěn)定，其精度遠遠高于基于天體運動作為標準的世界時和歷書時，用其來定義秒可以使秒的精度得到極大地提高。利用原子振蕩頻率確定的時間標準，我們一般稱之為原子時[1]。1967年，第十三屆國際計量大會通過決議，把原來基于天體宏觀周期運動的時間單位“秒” 長定義，改為基于原子內部的微觀運動，將 “秒” 長定義為銫(133Cs)(133為左上角標)原子基態(tài)的兩個超精細結構子能級間躍遷電磁輻射周期的 9192631770 倍所持續(xù)的時間。

　　而 “秒” 長定義的復現(xiàn)和時間頻率的精確測量則需要依靠量子頻標來實現(xiàn)。量子頻標又稱“原子頻標”，簡單地講，原子頻標是應用原子或離子內部能級間的躍遷頻率作為參考，鎖定晶體振器(簡稱“晶振”)或激光器頻率，從而輸出標準頻率信號的信號發(fā)生器。在計量學中，我們稱其為頻率標準器具，它是當代第一個基于量子力學原理做成的計量器具。由于物體運動周期與頻率成反比，所以原子頻標通常又叫原子鐘。實際上，原子鐘應該是能夠產生時間信號(如秒脈沖)并有計數(shù)裝置的原子頻標。近三十多年來，隨著新物理理論和新技術成果的應用，人們研制出了不同類型的新型原子鐘，它們已經或即將應用于衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)[2]。

　　原子鐘也有多種，如何尋找最精準的原子鐘?

　　銫(Cs)原子具有的一些屬性使其成為基于原子共振躍遷的頻率標準，在20世紀50年代早期，世界上許多實驗室已經開始了對基于銫原子的時間頻率標準的研制。銫原子的原子質量相對較重，因此，它們的移動速度相對較慢，在室溫下約為每秒130米，這就使得銫原子與微波場的作用時間較長。

　　此外，銫也有相對較高的超精細躍遷頻率(9.2 GHz)，例如銣和氫原子的超精細躍遷頻率分別為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英國國家物理實驗室 (NPL) 研制出了第一臺銫原子鐘，獲得1×10^-9的不準確度[3]。由銫提供的高精度和準確度時間頻率標準導致了對時間單位 “秒” 的新定義的產生。經過60余年的發(fā)展，目前的銫原子鐘的準確度已經達到了10^-16，其精度接近1億年不差一秒[3]。

　　隨著半導體激光技術、電磁囚禁技術、激光冷卻和陷俘原子技術等新技術的發(fā)展，以及新物理原理的應用，新型原子鐘技術的發(fā)展十分迅速。一方面人們應用這些新技術探索性能更高的新標準，另一方面努力尋求小型化的新途徑。這些新物理原理和新技術的成功應用，催生了以超冷原子為工作物質的原子噴泉、離子儲存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鐘，使原子鐘的穩(wěn)定度和準確度提高了1～2個數(shù)量級，甚至達到10^-18。20世紀90年代后，尤其是最近幾年，這些新技術被引進到我國，并且在國內迅速發(fā)展，新型原子鐘的研究已經蓬勃發(fā)展[4]。

　　1、如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鐘

　　時間頻率基準鐘裝置是運行在一定的實驗室環(huán)境，具有自我評估能力的最高時間頻率標準裝置，是時間頻率計量單位傳遞的源。近十幾年來，作為各國的時間頻率基準，傳統(tǒng)的磁選態(tài)和光抽運大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鐘取代。

　　原子噴泉的基本想法如圖 1 所示，我們搭建一個豎立的真空裝置，真空中充有工作介質(銣或銫)的飽和蒸氣，利用激光方法俘獲原子，并將其冷卻到非常低的溫度，將原子上拋。原子在上拋和下落的過程中只受到重力的作用，它兩次穿過微波腔，與時間上的分離振蕩場作用，產生鐘躍遷，然后探測不同能級的原子。最后獲得與 Ramsey 鐘躍遷相應的熒光信號。應用該熒光信號即可完成對實用頻標的頻率鎖定。我國先后從事冷原子噴泉鐘研究的有北京大學、中國計量科學研究院、中國科學院上海光機所和中國科學院國家授時中心。

　　2、準確度更高的冷原子光鐘

　　原子鐘的準確度和穩(wěn)定度均以其所應用的量子躍遷譜線頻率的相對值來表示。與微波信號相比，光信號的頻率高，并且有一些原子或離子的光學頻率躍遷譜線很窄，其相應的Q值(譜線質量因子)高達10^18。利用這些譜線實現(xiàn)的頻標，即光頻標，具有極高的頻率穩(wěn)定度，其準確度和穩(wěn)定度將優(yōu)于10^-18。

　　近些年來，原子冷卻技術，尤其是光晶格原子囚禁技術的飛速發(fā)展，使基于冷原子樣品而實現(xiàn)的光頻標擁有高準確度的潛力，并且具有高信噪比和低量子投射噪聲。世界發(fā)達國家紛紛開展了基于冷原子的光頻標研制。冷原子光鐘研究進展非常迅速，一些實驗室相繼報道的數(shù)據(jù)表明，其研究的冷原子光鐘的穩(wěn)定度和準確度性能已超越了銫原子噴泉鐘[2]。

　　目前，鍶光鐘的穩(wěn)定度和準確度達到10^-19量級，比噴泉鐘高4-5個量級。