揭秘“时间魔盒”原子钟

什么是时间？有人低头望向了手表，对，时钟会告诉我们时间，它无处不在，我们也会用稍纵即逝、白驹过隙、光阴似箭等成语形容时间的流逝。站在科学和技术的角度上，时间是这样被定义的，它作为一个尺度，用于比较事件发生的先后。在确定时间起点之后，用世纪、年、月、日、时、分、秒来记录时刻值，就好像一把尺子。

这就与我们的生活息息相关了，例如，每天晚上7点，新闻联播准点报时；奥运会赛场上，苏炳添在百米赛跑中跑出了9秒83的成绩；2021年10月16日0时23分，搭载“神舟十三号”载人飞船的运载火箭发射成功。

原子是组成物质的非常微小的粒子，在宇宙形成之初便存在了。原子虽小，其内部也是一个复杂且精彩的世界。原子由原子核及在核外沿轨道飞行的电子组成。电子有自己固定的若干个飞行轨道，当其从一个轨道跳变到另一个轨道时，能量会发生改变，需要吸收或释放电磁波。而这个电磁波，就是我们所说的振荡频率，它非常地稳定，即同一种原子，当电子在两个固定轨道间跳变时，吸收或释放的振荡频率是相同的。

有了稳定的电磁振荡之后，问题又来了：如何将这个稳定的振荡频率从原子中提取出来呢？我们在此以铷原子钟为例进行说明。我们将一群铷原子囚禁起来，并放在一个特定的激光场中，铷原子内的电子吸收激光场的能量，即光子，电子便偏离自己本身的轨道，跳变到另一个轨道上。当所有的铷原子都完成这一步骤后，便不再会吸收光子了，这时，激光场的能量不再发生变化。

此时，我们利用电磁学手段给铷原子加上一个微波场，当微波场的频率与铷原子的振荡频率相等时，铷原子中的电子会纷纷从新轨道跳回最初的轨道上，这时，铷原子又要开始吸收光子，激光场能量发生波动。因此，随着我们改变微波场的频率，当检测到激光光强变弱时，便得到了铷原子的振荡频率。有了这个频率之后，我们便可以将它作为标尺来測量时间。

必须要指出的是，这把尺子非同一般。原子的振荡频率非常快，我们把它和单摆作一下比较，单摆几秒钟摆动一下，而铷原子产生的电磁振荡，一秒钟摆动了10的9次方次，即10亿次。用如此细微的一把尺子来衡量时间，难怪时间的测量精度如此的高呢！

那么，原子钟究竟有多准呢？让我们来跟机械手表、石英钟对比一下，当我们戴着机械手表开着车，绕着北京四环跑一圈，大概一个小时吧，机械手表就偏差了一秒。对于石英钟来说，偏差1秒差不多需要270年，也就是说，假如我们戴着一块石英钟回到清朝，在乾隆下江南偶遇夏雨荷时送给她，那么，直到今天，这块表只偏差了1秒。原子钟偏差一秒需要多久呢？答案是3000万年。假如我们送给地球上最后一只霸王龙一台原子钟，那么，直到今天，这台原子钟只偏差了2秒。

首先，我们需要对原子有充分的了解，包括物理、化学性质，内部结构，电子特性等等，进而选出适合研制原子钟的原子。放眼元素周期表上一百多种元素，适合研制原子钟的只有十余种，而这些原子，又有着不同的脾气与秉性，需要被区别对待。

在选定了原子之后，就要抓住它们，有的原子可以通过加热的方法，把它们赶进一个小房子内；有的呢，则需要动用我们的激光武器，用激光将它们困住。当然，随着科研工作者的不断探索与努力，抓原子的方式，也在不断更新。

这些原子非常娇贵、灵敏，外界一点点风吹草动，它们就会受到影响。因此，抓住原子之后呢，我们还要保证它们不被外界打扰。

首先，我们要为它们构造一个恒温空调房，让它们感受到恒定舒适的温度，不会被昼夜温差、一阵风吹过带来的凉爽所影响。然后，它们还需要一个能够屏蔽外界所有磁信号的保护层，我们知道，地球自身存在磁场，我们使用的电器、通信工具等，也都会发射或接受电磁波，这些，都会带来原子性能上的差异。

解决完原子的问题之后，我们又需要把它的振荡信号提取出来，就好像我们要在原子房子的周围进行配套设施建设。这时，科研工作者面临的问题就更多了，他们需要用到激光光谱学、电学、结构力学等众多学科的知识。可以说，每一个原子钟研发人员，都有着“三头六臂”呢！

一台原子钟，可能会用到几十颗甚至数百颗螺丝钉，数百个电子元器件，经过上千次测试验证，凝结着无数科研工作者的心血。