手表-自然杂志.PDF

Chinese Journal of Nature Vol. 39 No. 1 PROGRESS doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.010 天宫二号里那块优雅的“手表” ——空间冷原子钟 ① ②† 乔勇军 ，刘伍明 ①山西省吕梁市离石区高级职业中学，山西 033000 ；②中国科学院物理研究所，北京100190 摘要 天宫二号带着一款别致的“手表”——空间冷原子钟正在绕着地球翱翔。它仰望深空，俯视大地，探索浩淼宇宙遵循 的黄金规则，细致描绘地球母亲的每一寸土地。这是人类史上首台在空间实验室开展科学研究的空间冷原子钟，它的精准 度也是史无前例的，为3 000万年误差不超过1 s。这台原子钟是中国科学家们历经十数年孕育和抚养成才的，它承载着中 国在空间定位、深空探测，以及广义相对论的验证等方面的研究使命。 关键词 激光冷却； 原子喷泉钟； 空间冷原子钟； Ramsey作用 中国传统医学中对时间有模糊的定义：“五 续上路——研制50亿年误差1秒的光钟[5](预期的 日谓之侯，三侯谓之气，六气谓之时，四时谓 精度为10-17到10-18量级) 。这个目标对于诞生只有 之岁。”( 《伤寒杂病论 素问六节藏象论》)另• • 约46亿年的地球母亲而言意味着什么呢？按照现 外，古印度的 《倡只律》也有对时间的描述：一 代的计时方式计算：一须臾为48 min ，一罗预为 刹那即为一念，二十念为一瞬。二十瞬为一弹 114 s，一弹指为7.2 s，一瞬为0.36 s，一刹那为 指，二十弹指为一罗预。二十罗预为一须臾，一 0.018 s。那么1 s有多长呢？1976年在CGPM 的第 日一昼为三十须臾。这样的时间定义总让人感 13届会议上，给出了时间单位 “秒”的新定义： 133 觉不知所措，因为我们无法确定此时是何时。历 “一秒是 Cs原子基态超精细能级跃迁周期的 史的车轮总是不停地向前滚动，人类的时间观念 9 192 631 770倍。”这又是什么意思呢？图1和图2 也日益求精。古巴比伦人发明了日晷、漏刻计时 所示的分别是人类计时器的发展历程及对应精度。 器(水钟、沙漏等) ，它们的出现让人类可以日夜 执着的灵魂从不寂寞，历史的车轮也从不吝 守时。摆的等时性原理的发现促成了摆钟的发 惜那镌刻的深深印迹。对物理学的热爱和对微观 明，晶体振荡器的发明使得石英晶体钟表成了 世界的好奇催生了量子力学这门艰深的学科，它 机械钟的可靠替代品。20世纪初建立和发展起 表明原子核外电子确定能级之间的跃迁对应着恒 来的量子力学促使人们研制出了精度可达10- 16量 定的辐射频率。根据微观粒子的不确定性原理和 [1-3] 级的原子钟 。原子钟的出现点燃了科学家们 能量量子化理论，19世纪70年代麦克斯韦和开尔 [4] 的热情，从1948年第一台原子钟发明 至今，人 文提出能级跃迁对应的恒定辐射频率可以作为时 类计时的精度几乎以十年一个数量级的速度提 间频率基准。然而，使这一思想真正从理论走向 高，天宫二号中的这台空间冷原子钟的精度已达 实践的是20世纪30年代Rabi和他的学生们在哥伦 到10- 16量级。激光技术的兴盛催促着科学家们继 比亚大学实验室的工作，他们采用一种磁共振的 †通信作者，E-mail: wmliu@ 54 第 39 卷第 1 期 ■科技进展 技术获得了原子的自然共振频率，这是人类在研