时间——从精确到更精确

鲁伊


  “我现在这一分钟是经过了过去无数亿万分钟才出现的,世上再没有比这一分钟和现在更好”,诗人惠特曼的这句诗似乎格外适合美国国家标准和技术学会(National Institute of Standards and Technology,简称NIST)的科学家。从1952年的NBS-1到1999年的NIST-F1,在几十年时间里,他们的原子钟作为标准美国时间的计量基准,致力为2.8亿美国人提供最精确的时间。在2001年,他们更成功制造出了震动频率为每秒千的五次幂周的光学原子钟。这一成果一经发布于《科学》杂志之上,立时便引起了学界轰动,科学家们认为,对光学原子钟的进一步研究,以及由此带来的计量学和物理学中有关标准常量的确定和测量,将会是本年度最值得期待的6项科学突破之一。

  即使是最渊博的历史学家也无法告知我们第一座时钟的确切产生日期和它的发明人。我们所知道的是,早在公元前3500年,人类就开始用日晷来确定时间。由于地球自转和公转的角度问题,用这种方式得到的时间不够准确,大约每天要差15分钟左右。在随后的时间里,人类还采取过多种方式来获取较为精确的时间,沙漏、水钟和燃香都曾经被广泛使用。然而,所有的这些时钟都存在着同样问题:精确度不够。

  机械钟的出现大大提高了时钟的精确度。1350年,第一座机械闹钟出现于德国,到16世纪初,意大利教堂中就响起了机械钟声。1583年,伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关,这是时钟历史上的一大进步。在前人的研究基础上,1656年,荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟,从此,时钟误差可以以秒来计算。在1762年,最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精确程度,这样的时钟,即使放在如今的日常生活中,也足够用了。但在天文、物理等科学领域中,人们对时间精确度的要求,却并不以此为止境。

  1928年,贝尔电话实验室的研究人员沃伦·马里森利用石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性,制造出了第一座石英钟。翌年,第一批石英钟就作为商品面世了。它的每日误差只有万分之一秒,比1920年制造的世界上最精确的机械钟的误差小10倍。自此,石英钟取代机械钟,成为天文台向世界各地的人们提供标准时间的天文钟。

  然而,石英钟的风光历史没有持续多久,1949年在美国制造成功的原子钟就以其几千几万年才相差1秒的超卓准确性,将石英钟变成了天文学领域的明日黄花。

  说起来,原子钟是最不像时钟的钟。在NIST的实验室中,为美国提供标准时间的NIST-F1看上去就是一大堆让人摸不到头脑的元件,没有时针分针秒针,也没有钟点显示。其实,原子钟的任务,只是提供“秒”这个时间单位的精确计量。

  一秒钟如何确定下来?这首先要从时间的概念说起。当我们提到时间时,有时指的是某一时刻,是一个点,有时指的则是两个时刻之间的间隔,是一条线段。只有将这两者结合起来,才能够构成对时间的正确认识。很早以前,科学家们就意识到精确界定秒的长度的重要性了。17世纪,科学家确定了地球自转一周、地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。由此,法国科学院于1820年提出,以一个平太阳日的1/86400作为一个平太阳秒,成为世界时秒长。但是,地球的自转要受季节影响,且呈现逐年减缓的趋势,世界时秒长的精确程度对于飞速发展的空间物理、军事和航天等领域来说就显得不够。量子物理的出现与发展,一方面对时间计量的精确度不断提出更苛刻要求,另一方面,却也指出了解决之道。

  根据量子物理学原理,当原子从一种能量状态跃迁到较低的能量状态时,它会释放电磁波。同一种原子产生的电磁波的共振频率是一定的,如铯133原子,它的共振频率就为每秒9192631770周,精确的时间间隔即可由此确定。

  哥伦比亚大学的物理学教授、1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比(Isidor Issac Rabi)堪称原子钟之父。在1945年,他就提出,可以运用其在30年代发明的原子束磁共振技术来制造原子钟。使用了拉比的技术,NIST(当时的名称是美国国家标准局,National Bureau of Standards,简称NBS)在1949年使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟。1952年,NIST制成了第一台铯原子钟,它被命名为NBS-1。这一命名规则被延续下来,一直到1975年的NBS-6(它的下一代名为NIST-7,再下一代则为NIST-F1)。在那个时候,NBS-6的精确程度已经可以达到在30万年的时间中,既不会快1秒,也不会慢1秒了。

  从原子钟诞生之日起,各国科学家就尝试过使用各种物质原子来制造它,先后出现有氢原子钟和铷原子钟,但它们的地位都远远无法同铯原子钟相比。尽管氢原子钟和铷原子钟的造价比铯原子钟低廉(目前位于NIST实验室中的NIST-F1原子钟价值65万美元),而且体积较小,但精确度不够高。因此,在1967年召开的国际计量大会(General Conference on Weights and Measures,简称CGPM)上,科学家们根据铯原子的振荡频率定义了秒的长度,那就是:铯133原子基态的两个超精细能量级间跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1秒。自此,全世界的计时标准不再建立于天文学的基础上,而这一标准也一直被沿用至今。但是,伴随着物理学家在玻色-爱因斯坦凝聚方面取得的突破,以及原子喷泉技术的进一步完善,铯原子的江湖霸主地位也遭到挑战。NIST最新制造的光学原子钟,所采用的就不是铯原子,而是汞离子(即失去一个电子的汞原子)。它的振荡频率比当今最准确的原子钟、每秒钟振荡90亿周的NIST-F1的高10万倍。主持这台光学原子钟制造工作的NIST物理学家司各特·迪达姆斯(Scott Diddams)在接受《科学》杂志采访时说,“它具有比当今最好的时钟准确1000倍的潜力”。

  科学家对精确的追求随着技术的进步和实验工艺的改进而不断提高。在平常人看来,让众多科学家倾毕生之力追求的从100万年差1秒到10亿年差1秒的飞跃可能毫无意义,但事实并非如此。即使是从最功利的角度来看,原子钟技术给人类带来的益处也是无处不在。从GPS卫星定位系统,到无线通讯和光纤数据传输技术,它们的背后,都响着原子钟的“嘀哒”声。或许“最精确”是个一出现就立刻成为过去时的概念,或许它是一个永远都无法企及的将来时,但无论如何,在从精确到更精确的现在时中,人类在进步。

三联生活周刊