物理学家叶军：初识原子钟

叶军 / 美国科罗拉多大学物理系教授、美国国家科学院院士 / 2015-12-04

一个强国如果没有一台好的原子钟，就不是真正的强国。

美国科罗拉多大学科学家研发的锶晶格原子钟

原子钟听上去是个很难的东西，但说到底就是利用原子中电子轨道做的原子单摆——世界上最准的钟。

钟是衡量时间的。而时间这门学问非常神奇。你每天早上起床，没有闹钟，没关系，到了那个时间自然就会醒过来。鸟、鱼的脑子里好像都有一台钟，告诉它们往什么方向走，什么时间吃东西、休息，告诉它们日出日落的关系。这是生物钟，学问大得很。

时间也是一门哲学。宇宙怎么来的，以后会怎么变化，我们能否回到过去，物理学家和哲学家都对此进行了大量思考。爱因斯坦有句话很有名：你高兴的时候，时间过得就快——开个玩笑。他说的其实是，对于运动的物体来说，时间会变慢。这已经通过很多方式包括原子钟得到了证明。

用来衡量时间的钟，对人类的发展起着重大的作用。古代人发明日晷，根据太阳照射的投影来判断和计算时间，直到18世纪，绝大部分的钟都是利用类似的天文观测途径，但以太阳为参照物误差太大，地球自转公转并非恒速，太阳与地球又距离太近。相比之下，用一颗遥远的星星的位置来计算时间甚至都比太阳要准确，因为星星的光相对于地球是平行光，每天出现在视野中某一位置的时间基本上是很精确的。

出于航海的需要， 17世纪英国国王查理二世下令建造了皇家格林尼治天文台，同时悬赏大笔奖金，找人发明在海上也能准确计时的钟表。在此之前，水手和航海家们只能通过观察太阳来确定自己的位置。一个普通工匠约翰·哈里森发明了的海洋计时表，既准确、又方便携带，大大地改善了水手们海上的计时条件。

然而，不管是日晷、机械钟还是原子钟，不管制造者是谁，造价多少，所遵循的规律是相同的，那就是大自然的标准。我们现在利用原子杠杆来制作原子钟，看上去是一门非常前沿的科学，但实际上，原子从宇宙诞生那一刻就存在了，而且原子的电子轨道结构非常精确，轨道和轨道之间能量级不同，电子在轨道间跃迁，从一个电子态跳到另一电子态能量的间距，专业词汇叫做电子频率，这个频率非常稳定，很适合做为杠杆（单摆）。

原子杠杆的另一好处是，它的单摆周期要比人工单摆短得多。我们知道，测量长度距离时，尺子单位越小精度就会越高，同样，测量事件A和事件B之间的时间距离，单摆摆动次数越多，误差就越小，所以如果这个单摆摆了不是30次，而是1000万亿次，你把每一次单摆的数字都记下来的话，测量的误差就非常非常小。

原子单摆周期短到0的-15次方秒，一秒可以摆动1000万亿次；而宇宙的寿命很长，150亿年。一个很长，一个很短，看起来和我们日常生活没有任何关系，但如果把原子单摆的周期乘上宇宙的寿命，得到的时间是30秒，就相当于我讲一句话的时间，这是实实在在的时间，这就是科学的神奇之处——30秒，把无限短的时间和无限长的时间联系在一起，用极小的尺度来测量极大的东西的科学规律。

原子钟的应用领域非常广泛，温度、压强等物理量的测量，如果和时间联系起来，就会非常准。所以原子钟在现代工艺和精密仪器领域都很重要。在国防科学、太空探索方面更是必不可少。原子钟可以将位于世界各地的几千台望远镜连接起来，就像千眼观音，可以看得很远，看清宇宙深处很多东西。一台原子钟可以让美国东部、美国西部、上海和北京的四台电脑同时运行，时间的精度极其高，这对保密通讯、实时通讯来说非常重要。一个强国如果没有一台好的原子钟，就不是真正的强国。就个人来讲，我最感兴趣的是用原子钟根据地球重力分布来测量地球形状。所以不管是应用科学还是基础科学，原子钟的作用都很大。实际上，物理学家们做的事情或多或少都和精密测量有关系。

再来简单看看原子钟的发展史。

上世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的伊西多· 伊萨克· 拉比和学生对原子及原子核基本性质的研究成果，使原子计时器的研制取得了实质性进展。拉比设想，原子在穿越振动电磁场时，在某种条件下，会导致电子的跃迁，从原先的超精细态到另一态。原子钟就是利用振动电磁场的频率作为节拍器来产生时间脉冲。1949年，拉比的学生诺曼·拉姆齐提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖。

世界上第一个原子钟在二战后由美国国家物理实验室的路易斯·埃森和约翰·帕里合作建造的，但这个钟需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器，相对小型，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造和生产了第一台商用原子钟，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

后来，朱棣文在贝尔实验室，设计了一套利用激光冷却捕捉并操作单个原子的方法。这项突破开启了新的物理学领域，促进了分子生物学的重大进展，使原子钟和重力测量变得更加精确——这大大改进了对石油、天然气和矿物的开采。 他于1997年获得诺贝尔奖。

目前最精确的原子钟是我们做的锶晶格原子钟。为什么会选锶原子？有很多科学原因。简单地说，某个原子的寿命非常长，我们才会选择它。比方说，原子钟用电子云震荡作为杆杠，如果把这个电子云震荡和普通单摆进行比较，单摆几秒钟摆一次，但是电子云1秒可以摆10的15次方次，而原子本身寿命是150秒，在150秒里面它已经摆了10的18次方次，如果我们把它的摆动变成慢镜头，让它1秒钟摆1次，10的15次方次摆完所用的时间就等于整个宇宙的寿命。它的寿命品质因素很高，所以我们选来做原子钟。

但这个单摆的频率太快了，怎么把它测量出来呢？最新的办法是用激光来测量，如果能造一个非常稳定的激光器，射出的激光频率和这个原子单摆的频率完全同步，相当于单摆摆到哪儿，它也在哪儿，这样就能知道速度。这是第一步。

怎么来做这个激光器？简单的说，无非就是要两面镜子，把光线在镜子里面来回传播，两面镜子的距离掌握得很准，频率就会很准。由于光速恒定，把时间的长度和时间联系起来以后，就既可以用来测时间，也可以测量长度。

有一部电影叫星际旅行，我很喜欢看，里面有很多从物理学出发的科幻。主角离开他女儿前往太空时说：我会回来的，那时说不定我们的年龄也差不多了。这句话很感人，从相对论角度看，这样的星际旅行是完全可能的。所以电影结尾时，爸爸回来，但女儿已经很老，比爸爸年纪还要大很多，因为爸爸开的飞船非常得快。我们都知道，如果有人和你有相对运动的话，他的时钟是不一样的，她的爸爸所到黑洞附近动力很大，所以时间就会慢。

制作原子钟会碰到两个问题，如果一个原子钟和其他原子钟有相对速度，那运动的钟时间会变慢；第二，如果你到一个运动的地方，时间也会变慢。1997年诺贝尔物理学奖获得者朱棣文、塔诺季和菲利普斯，三个人就是用6台激光器从6个不同的角度打过来，冷冻原子。但就像用乒乓球撞击运动的保龄球，保龄球慢不下来，但是如果一秒钟用100万的乒乓球来撞击呢？光子就是乒乓球，原子就是个保龄球，当原子吸收了光子能量就上去了，动量要守恒，原子就动了。它有一个动能，动能从哪儿来的，只能光子给它，那么光子有频率，原子也有频率，这就会导致两个频率出现偏差。

所以要找到一个办法，一个“弹簧”把原子拉住，光子打过去的时候，就没有反冲了，可弹簧如果不合适，就会把原子的结构改变，那么原子钟就不准了。所以，我们现在用的办法是，做一个“碗”，把原子放在里面，它很冷，再用另一束光打到里面，引发光波的驻波现象，把原子束缚住，我们把成千上万个原子放在这个驻波碗里，温度控制在很低，就做成了一个单摆。成千上万个原子单摆同时测量，就比只测一个原子要更快，精度更高。这种技术已经处于科学的前沿，用光波来做原子钟，把这项科学推上了一个全新的台阶。

探索总能带来太多想不到的惊喜。发明望远镜来观察木星土星时，人们根本没有想到还能看到很多卫星。你造出新的东西，就会发现新现象，那时，不管你走到哪里，都会有一席之地。可年轻的时候，没有人会告诉你怎么走。光学科学的历史并不长，但现在已经被用到环保、医疗上。我希望我的演讲能给大家打开一扇新的窗户，去探索未知。

问答：

您的导师是诺贝尔物理学奖获得者约翰·霍尔，他对您影响最大的是什么？

其实今天这个报告中有句话就是他讲的，对我对人生的理解作用很大：你要相信自己的双手能做出更巧的事情，比别人做得更好。你们能进入交大，书念得肯定还可以，但更重要的是一定要培养出相信你的双手能比人做得更好的理念，有信心去做事。

听说您高中时作文写得特别好，文学素养和您在物理学上的成就有什么联系吗？

我个人觉得文学是很重要的，因为有很多做人的道理在里面。很多时候，一件事做到最后，已经不光是你的专业能力了，还要看你做人的能力，或者对社会的理解，对同学的帮助，思想的体悟。这都是文学，所以我觉得文学素养好，绝对是一件好事情。

您是何时产生对物理学的热情的？

那是在高中的时候，老师特别好，带我们去参加一个物理竞赛，就是因为那次物理竞赛，交大就把我们这些人提前录取进入致远首届试点班，所以从那个时候开始，我就很喜欢物理。

（本文内容由胡溪玮和林哲汉根据叶军教授于2015年11月8日在上海交通大学的讲座整理。采访/胡溪玮。）