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时间都去哪了?激光促使原子钟更进一步

2016-01-04 10:36
九一隐士
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  上下四方为宇,古往今来为宙。

  宇宙中一切物质的起源和消亡,世间一切事物的产生和终结,地球上一切生命的诞生和灭亡,所有的这些与时间紧密相关。日月更替,斗转星移,花开花落,人类数千年的文明在时间的长河中缓缓流淌,时间见证了这一切的变化,而日益先进的人类文明使得我们能够更准确的去感知时间。早在人类文明诞生之初,人类便开始通过对时间的计量来描述万事万物的变化,并由此诞生了一系列精度越来越高的计时器具。

  时间的计量发展历程

  远古时期,人们以太阳的东升西落作为时间尺度,因此便有“日出而作,日落而息”的人类生活;公元前二世纪,日晷出现,提高了时间的计量精度;公元一千多年前,我国北宋时期的能工巧匠们设计出水钟;六百多年前出现了机械钟;十七世纪,单摆被用于机械钟的设计,使其计时精度提高了近百倍;二十世纪三十年代,石英钟诞生,计时精度进一步被提高。

  这些计时器具即我们概念中的“时钟”,细数这些钟的发展,最古老的钟追溯至太阳钟,例如圭表、日晷。有据可查的太阳钟始于公元前2357-2258年的尧帝时期。《周礼-地官-大司徒》中有“以土圭之法测土深,正日景(影),以求地中”。《春官-典瑞》中也提到了“土圭以致四时日月,封国则以土地”。

  之后出现水钟,它属于流体钟的一种,除水钟之外,流体钟还包括沙钟。水钟和沙钟都是使用一定数量的流体,通过测量流体在特定方式下流动所需的时间来表示固定的时间间隔,这类不依赖于天文现象的“漏刻”计时仪器至少有4000年的历史了。我国最早的机械钟也出现在北宋时期,而欧洲的机械钟出现于十三世纪,最早传入我国的机械钟在明朝万历年间,被献于万历皇帝。

  随着社会发展的需求,对时钟精度的要求越来越高,于是石英钟应运而生,它是通过石英钟内部稳定的石英振荡器来计时的。随着科技发展的要求,以及人类对精密测量的执着追求,石英钟逐渐不能满足要求,逐渐被精度高于它的钟所代替,例如原子钟。

  原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时。由于这种辐射电磁波周期非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。最初并且最常用于原子钟研制的元素有氢、铯、铷等碱金属。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。1967年,铯原子钟被用来进行“秒”定义,即为无干扰的133Cs原子基态两个超精细结构子能级之间微波频率跃迁周期的9,192,631,770倍,也就是我们通常所说的国际原子时。从此开启了原子“秒”的时间计量标准时代,直到现在的“秒”定义仍由铯原子喷泉钟保持。

1955年首次出现原子钟

NIST的铯喷泉基准钟

  脉冲星是另外一种独特的时间计量器具,它是一种高速旋转的致密中子星,自转周期非常稳定。通过对脉冲星的计时观测,可以建立高精度的时空参考架。利用脉冲星钟建立和保持的综合脉冲星时系统,有可能比目前的原子时系统具有更高的长期稳定度,并能独立地检测原子时的系统误差。这种独特的时间计量方式正在被科学家们研究中。

  对于原子钟,科学家不遗余力地进行探索并取得了巨大的研究成果,他们研究出了比现行的基准钟——铯原子钟精度更高的时钟,即光钟,铯钟作为基准钟的地位受到严重冲击。光频标的研究得到了大力发展,这种利用以原子的光学波段共振频率标准作为时间频率基准的钟——光学原子钟,将人类对时间、频率的测量精度又大大的向前提升了一步!

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