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西方人提醒你注意时间时,往往会说“时间在滴答”(time is ticking),当然翻译成更文雅的说法是“时间在流逝”。

滴答本身说明计时是怎么完成的,沙漏原理就是一种计时方式,假定一定体积的沙流出需要一个固定的时间。与之类似的是利用某些运动的周期性,例如一天就是太阳升起到降落到再升起,而一年则是季节的一个周期变化。古人早就注意到这些自然现象的周期性而制定出历法,最早的历法已经有五千年了。而水钟在古巴比伦和埃及可以上溯到公元前十六世纪。据说机械钟在西方可以追溯到十三世纪,却没有保留下来的实物。保留下来的最早的机械钟制造于1430年,这是用弹簧驱动的钟。最早的记录分(没有秒)的时钟制造于1475年,后来出现了记录秒和分的钟。

伽利略第一个注意到钟摆的运动是周期性的,他似乎也有过利用钟摆来制造时钟的想法。惠更斯计算了一秒钟对应的摆长是99.38厘米,制造了第一个用钟摆驱动的时钟。可见,钟表的原理和精确度与某个被利用的周期运动有关。机械钟一般能准确到一天误差一秒就算好的了,我们日常生活中也不需要更准确的时钟。

 

科学实验和高技术需要更准确的计时。戴过表的人都知道石英表,石英表的计时原理是石英晶体振荡的周期。石英晶体的振动被交流电转变成电压的周期变化,这个变化被线路探测到,这就是石英钟的计时原理。石英晶体振荡周期与石英的具体形状和大小有关,寻常石英钟的振荡频率是32,768赫兹,也就是说在一秒钟内振荡了32,768次。所以,振荡一次就是1/32768秒。如果这个振荡频率精确到个位数,那么一天下来,振荡次数的误差不大于8万次左右(也就是一天内的秒数),这样石英钟的一天误差就能够保持在秒的范围。为什么选择32,768这个频率呢?因为这个数字恰好是2的15次方,这是利用2进位的数字钟需要的。石英晶体的振荡频率受到温度的影响从而影响时钟的精确性。经过温度校准的石英钟可以准确到每年误差大约是10秒钟。

上世纪五十年代,精确计时进入原子钟时代。原子钟的最基本原理是利用原子能级跃迁辐射的电磁波的周期性,或电磁波的频率。例如,可见光的频率大约是400太赫兹以上,也就是4乘10的14次方。如果我们能控制光的频率,就有可能利用它来计时。可惜,一般情况下,光的频率并不好控制,因为外界的因素使得每个谱线出现宽度。上世纪三十年代,原子物理学家拉比发现了磁共振技术,当原子经过均匀磁场后再通过被一定频率的电磁场就会从一个能级跳到另一个能级,辐射出的电磁波具有固定的频率。但是,如果起初的磁场不够均匀,辐射出的电磁波就会有一定宽度(频率不固定)。拉比在1945年就建议利用这个原理制造原子钟。今年11月4日去世的拉姆齐是拉比的学生,他在上世纪四十年代改进了拉比的方法,让原子在进入均匀磁场前先经过一定频率的电磁场,这样原子先后两次通过振荡的电磁场,这样的话,原子辐射出来的电磁波的频率的宽度就变小了。拉姆齐因此获得1989年度诺贝尔物理学奖(而他的老师拉比早在44年就获奖了)。拉比和拉姆齐的工作使得制造原子钟成为可能。

原子钟是怎么工作的呢?我们这里以最准确的铯原子钟为例。铯两个能级跃迁辐射的电磁波频率是9,192,631,770赫兹,如果我们制造一个仪器将铯的振荡周期正好乘以这个数,就是一秒。这个仪器的工作原理如下:将液体铯蒸发成气体,然后让气体铯原子通过一个磁场,这个磁场将处于不同能级的铯分离出来。低能级的原子得以通过U型的空腔。这些低能级铯原子随即被波长为3.26厘米的微波照射,一部分被激发打到热丝上被电离,电离的铯原子经过电路放大。这样,调整照射铯原子的微波的频率使得电流达到最大,微波的频率正好就是9,192,631,770赫兹了。这个频率电子化后用来控制一个石英晶体,保证其振荡频率为五百万赫兹。这是原子钟的输出。

目前最精确的铯原子中可以达到每天误差为一纳秒,这个精度是什么概念?这等于说三百万年这个钟的误差是一秒。最早的原子钟利用的不是铯原子,而是氢原子。

原子钟用来精确地确定时间。那么长度用什么来定?有趣的是,也是通过原子钟的计时。原因是,物理学家发现真空中的光速是不变的,与我们在什么惯性系中测量无关。所以光速在1983年就被定为299,792,458米/秒。如果我们能够精确确定时间,那么长度就可以用光速来决定,例如,我们规定一米等于光在1/299,792,458秒内跑的距离,这大约是3.3356纳秒。前面我们提到,原子钟一天可以精确到一纳秒,这个精度就是10的负14次方,我们也由此决定了长度的精度也是这个量级。

时间测量的精度以及长度测量的精度在现代科学实验中越来越重要。例如,不到两个月前的惊人的中微子实验告诉我们中微子也许超光速了,这就要求时间测量的精度达到数毫秒的误差不超过纳秒。自然,原子钟达到这个精度很容易,但是,测量中微子速度还涉及到两地原子钟的同时性校准。实验家认为,时钟的校准不会是个问题。

(《新发现》专栏,勿转——并以此文纪念去世不久的Norman Ramsey)

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李淼

李淼

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男,1962年10月出生。中山大学天文与空间科学研究院院长,研究方向包括超弦理论、量子引力等。 1982年毕业于北京大学物理系,1984年在中国科技大学获理学硕士学位,1988年在该校获博士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学波尔研究所学习,1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美Santa Barbara加州大学、布朗大学任研究助理、助理教授,1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究员。

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