华东师大的科学家与世界顶尖科学家一起，在向时间精度的珠穆朗玛峰挺进

　　□本报驻京记者徐彬

　　挑战“巴西队”

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　　如果说在“世界杯”上中国足球队凭借实力逼平了巴西队，你一定认为是天方夜谭。但是最近在两场有关时钟精准度的比赛中，这样的事情确实发生了：华东师范大学和两支堪称“巴西队”的研究机构在研制“光尺”的较量中，打成了平手。

　　这两支代表着时间计量科学最高水准的“巴西队”分别是美国国家标准与技术研究所(NIST)和位于法国巴黎的国际标准局(BIMP)。前者对时间的控制，已经达到1亿年误差不超过1秒钟的水平；后者则负责每天校正并向全球发布提供最权威最准确的时间。

　　“光尺对比”大战整整持续了三个月。为了迎接华东师范大学的挑战，NIST和BIMP派出了最优秀的三位“选手”。今年3月19日出版的《科学》杂志以华东师范大学物理系教授马龙生为第一作者报道了比赛的最终结果：这项实验实现了前所未有的精度，四把“尺子”的不确定度为10-19。

　　“这真是一项不寻常的研究成果，很难想象在其他科学领域能有如此高的精度。这不仅能进一步增进我们对许多物理问题的理解，而且还涉及重大技术进步和新的实际应用。”在《科学》杂志发表这一研究结果的当天，BIMP在其官方网站上给予了极高的评价。

　　NIST的物理学家斯考特·迪达姆斯(Scott Diddams)也参与了这项比赛。他说：“我们为新一代原子钟——光钟的研制铺平了道路。”由于光尺是通过频率更高的可见光来提供时间标准，如果用它来计时，将比目前最好的原子钟还要准100倍。

　　“多年来，我们夜以继日，就是想突破时间精度的极限。”华东师范大学物理系毕志毅教授说。作为助手，他与同事马龙生教授共同研制了这台超高精度的光尺。

　　在这之前，我国的时钟精度做到了350万年不差1秒，这与世界上最精准的计时设备还有很大差距。“我们的工作只是证实了光钟可以达到这样的精度，至于将来它还有多大发展空间，还有待进一步研究。”毕志毅说。

　　漫长的1秒钟

　　在大多数人眼里，一秒钟只不过是时钟“滴答”一下。但是，对于许多实验物理学家来说，看似简单的“滴答”一下却是一个漫长的过程：铯原子在能级跃迁时要振荡9192631770次。

　　事实上，在1967年召开的国际计量大会上，一秒钟已不再只是钟摆的一次摇摆，或是石英钟秒针的一次转动，而是铯原子的9192631770次固有微波振荡频率。大会把一秒钟定义为铯原子的这些振荡次数，这个标准一直沿用至今。

　　“它之所以更精准，是由于原子内部的运动受外界的影响更小，一个振动着的原子系统不会因外界条件的变化而改变它的振动频率。”中国科学院上海光学精密机械研究所王育竹院士说，第一台铯原子钟的发明，使得时钟的误差从自摆钟的每天千分之一秒、石英钟的每天万分之一秒，精确到30万年不超过一秒。

　　科学家要做的，只需利用电子系统准确地记录下这些振荡次数，到了9192631770次，就知道有一秒钟了。实际上，它也是把一秒钟分成了9192631770个间隔，相应的一秒钟精度，也就到了小数点后第9位。

　　如果采用更高更稳定的可见光频率来计时呢？它得到的时间精度岂不是更高？这是一个“顺水推舟”式的思维。与每秒高达1014次的光学振动相比，原子的109次振动频率差了5个数量级。

　　然而，在没有光尺之前，科学家却面临一个问题：现有的电子系统无法记录下这么高的光学频率。毕志毅解释说：“就像你用眼睛去看一个灯泡，如果每秒闪3次你还可以看到，但要是闪1000次就看不出来了。”

　　除了光尺，目前还没有什么设备可以精确测量光频，并且实现光学频率与微波频率间的转换，而这是研制光钟的关键之一。

　　王育竹的遗憾

　　“这是很好的一件工作，他们修建了一座连接原子的微波振动与光波振动的桥，让科学家可以同时用光和微波来测量时间、长度和频率，而且可以做到这么高的精度。”王育竹在赞赏中带着几分羡慕。

　　自从1952年NIST制成了世界上第一台铯原子钟，永远“知不足”的科学家就尝试用各种方法来进一步提高它的测量精度。在他们看来，常温下的原子还是“太热”，会由于热运动而增加不确定性。如果把它们冷却下来呢？

　　王育竹是最早一批提出激光冷却方案的人，那时还在1979年。“原子就像有能量的小球，不停地动，如果用激光照着它，它的动作就会越来越缓慢，像苍蝇掉进泥塘里，最后动弹不得。”25年后，王坐在即将搬迁的办公室里，回忆着当初的构想。

　　1997年，三位科学家由于在激光冷却方面的贡献获得当年的诺贝尔物理学奖，其中包括美籍华人朱棣文。而他们的一些实验方法，和王育竹不谋而合。可是后者由于经费和设备的欠缺，只完成了构想的部分工作。

　　“物理学上最重要的是要做出来，否则一点价值也没有。现在回过头看，我们的思路是对的，如果做下去，也能得到很好的结果，”他补充说，“不过这些没必要再提了。”

　　激光冷却进一步减小了原子钟的误差。不过，科学家还有更美妙的想法。他们利用激光把已经“冷冻”过的原子抛起来，然后在它自由下落的过程中更仔细地看。“这些原子原本是从眼前径直通过的，现在可以像喷泉一样慢慢观赏。”王育竹说。

　　“这和两个人交往的道理一样，时间越长就越能相互了解”。目前最好的激光冷却原子喷泉钟已经实现了“天文数字般”的精准：小数点后第16位。这意味着，科学家可以把时间定格在10-16秒。

　　而光钟，至少还要提高两个数量级。

　　我在哪儿？

　　“我在哪儿？”这肯定是你突然发现身处没有任何标识的沙漠或丛林时，脑海中闪出的第一个问题。一般人提出这个问题大多是在梦中，然而对于哪怕是驾驶着先进的F-16战机参战的美国飞行员来说，在被导弹击落后能迅速测定自己的位置是一项必备的生存技能。

　　真正拯救这些美国大兵的，是分布在地球上空的24颗卫星，它们组成了全球定位系统(GPS)。它的工作原理极其简单：每颗卫星持续发射包括其位置和时间的数字无线电信号，在地面的人只要携带一个GPS接受机，便可根据信号传输的时间计算出所处的经度、纬度及高度。

　　“时间决定空间位置。每颗卫星上都有一个原子钟，这个钟越精准，定位的精度就越高。”王育竹说，正是因为有了高精度的原子钟，美军才能在伊拉克战争中实施像“斩首行动”这样的精确打击。

　　爱因斯坦的相对论，也是在有了原子钟以后才被验证是正确的。例如根据相对论，海拔高度每升高100米，时钟要快百万亿分之一秒。如此计算，《南方周末》北京记者站所处7层办公室的时间，要比地面快一千万亿分之二点六秒。

　　不过，要是验证引力是否真的随时间增加而逐渐减弱这样的理论问题，目前看来只有光钟能担此重任。“一些基本物理常数是否在数10亿年间发生了非常微小的变化，你只有用更小刻度的尺子才能量出结果。”毕志毅说。

　　科学家期待，除了更准确地计算一些物理常数，光钟的研究还能对高速数据传输、卫星轨道的精确控制、航天器的对接等领域产生重大影响。

　　王育竹说：“我知道最近有人尝试用钙原子、钙离子、钇离子的光频振动来制造光钟，效果很好，都是很有前途的。”

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　　光尺和光钟

　　光尺是用于提供时间、频率和长度标准的装置。这个装置被称为光学频率梳，因为它发出的电磁波谐振的频谱分布如同梳头发的梳子的齿。这些频率梳输出可用于作为测量时间、频率和长度的超高精度的尺。

　　这个装置的功能也如同一个光学齿轮。目前世界上最好的原子钟(例如，激光冷却铯喷泉钟)都基于原子的微波振动，其振动频率约为每秒9×１09次。尽管这是非常快的振动，电子系统能够准确地记录，但现在还没有电子系统能够直接记录原子及分子以每秒5×１014次的光学振动。光学频率梳能够把将来光钟非常快的振动分到较低的频率，使其能与微波频率标准相连接。这个实验检验了光学齿轮箱的精确度。其中一个重要的应用是：光钟将比目前最好的原子喷泉钟精度高得多。这项实验为研制新一代原子钟——“光钟”铺平了道路。