原创 未来10年超精确原子钟如何改变世界

美国国家标准与技术研究所(NIST)侧重激光和量子物理学的研究



世界最好的时钟在美国国家标准与技术研究所里制成



NIST-F1是美国最标准的时钟，也是世界最精确的实用时钟



美国国家标准与技术研究所最新修正过的氢微波激射器



此芯片大的原子钟可精确到十亿分之一秒



此红激光是未来超精确钙原子钟的一部分



在此隔间中，此红激光集中的钙原子上



此圆柱包含单个被捕获的原子，与黄绿色激光共振

网易探索12月17日报道， 据美国《连线》杂志报道，世界最精确的时钟就深藏在美国国家标准与技术研究所(NIST)这所6层的混凝土大楼里。它看起来好像只是一项青少年科学展览项目，擦亮的镜头和镜子杂乱地堆在一个闪烁着微弱银光的圆柱上，并被一个清晰的塑料帐蓬盖住，加以保护。

现在存放于美国国家标准与技术研究所的这个铯原子钟就是大名鼎鼎的NIST-F1。不过，等到F2明年出来时，此F1将会逊色不少。美国国家标准与技术研究所的时间与频率部主任汤姆·奥布来恩说：“我们在时钟的研制方面基本上遵循摩尔定律，每10年就会提高一大等级。”

时钟的精确度带来了一门有关危机存在的时间科学。自从1904年美国国家标准与技术研究所从德国制表厂购买一座摆钟以来，如今此单位已经成了时钟记录的保持者，打造了世界最精确的时间标准。

其最新一代原子钟其精确度已经超越了原来狭小的范围，使许多时钟的精确度成了废物。而且，该所400名科学家、工程师和员工对时钟的研究更加投入，更精益求精，他们正在将原子钟缩小成谷粒大小，并测试新的精确度，以探测重力和磁场的相对波动。10年内，他们的工作将对医学成像和地质勘测等不同领域产生深远影响。

显旧的米色墙壁和多变的油布地面，美国国家标准与技术研究所的时间与频率部在刻苦改写时间的精确度。一些看起来心烦意乱的科学家在大厅里来回走动，偶尔看一眼外人。毕业生则身穿古怪的T恤，在楼内踱步，夹着好用的工具和厚厚的文件夹穿行于办公室和实验室，而电缆和管道则弯弯曲曲地横过天花板。

时间精确度是当今数字世界的心跳

因为时间精确度是当今数字世界的心跳。每一个手机基站安装上原子钟，可以从一个塔管理另一个塔。而太空时钟会让汽车中的GPS告诉你身在何处，较小的时钟可以让你的无线装置能调谐。当汽车具备稳定控制能力时，可以让你避免车祸。这就是美国国家标准与技术研究所密室中的铯原子钟的大好用途。

然而，光学频率测量集团的物理学家利奥·何尔伯格更加关心未来的时间。他们正在测试一种新的时间精确度，是采用钙和镱这样的原子来测量。像NIST-F1一样，铯原子钟使用激光来给铯原子减速，以达到测量状态，之后调整微波信号，使其接近铯的共振频率每秒9,192,631,770个周期。

通过这一办法，可以将F1精确度达到最佳。为了达到F1的最佳精确度，科学家得知道它们相对此时钟的精确位置，再考虑天气、海拔和其它外在因素的影响。比如，热天下，连接F1与美国科罗拉多州大学实验室的光纤会延长10毫米，科学家得不断跟踪和加以计算。在F1的精确度下，位置变动都会影响原子钟的精确度。比如，最近科学家将原子钟从3层移到2层之后，他们得重新调整其系统，才能弥补高度下降3.5米所导致的误差。

相对钙和镱原子，铯原子可以算是原子钟之父了。何尔伯格的研究小组要专门调整这些粒子，由于采用微波来做太慢，于是科学家改用彩色激光来代替。何尔伯格说，每一个原子都有自己的光谱特征，钙对红色产生共振作用，镱对紫色有共振作用。根据这一原理，科学家希望制造出更加精确的汞离子钟，打造绝对稳定的时钟。

修正地球形状的相对变化

届时，足够精确的时钟能修正地球形状的相对变化，由于地球形状因环境因素的变化而出现的变化，因此要对时钟进行的修正。之后，科学家还将修正宇宙、天体物理学和时空的变化情况，绘制磁场和重力变化图。这意味着不同的地形会有不同的重力偏移。科学家凭此可以绘制石油、液体帆岩浆和地下水的分布图。总之，美国国家标准与技术研究所正在打造首个探寻水源和矿藏的高科技探棒。

对于一艘行驶的船只，这种时钟会因海底形状和地球深处密度的变化而改变频率。对于火山，这种时钟频率会随岩浆的运动和振动而变化。科学家使用这些变化的地图就能区分盐水和淡水区域，或许最终能根据地面下重力的变化来预测火山、地震和其它自然灾难的爆发。

此外，科学家还在思考制作微型的原子钟，大小只有方糖大，可以用AA电池带动，奥布来恩说，其最显而易见的应用是让GPS接收器更加精确，当然还有其它用途。

去年秋天，美国匹兹堡大学的研究人员使用美国国家标准与技术研究所生产的谷粒大原子钟，绘制了老鼠心跳的磁场变化图。他们将此时钟放在老鼠胸部之外2毫米的地方，每次心跳一下，就观察老鼠富含铁的血液是如何影响此时钟的滴答声的。从此，美国国家标准与技术研究所将此时钟精确度提高了巨大的数量级。他们将一排这类时钟用作磁力计，成了一种全新的成像设备，可用于检查心脏和大脑的活动。而且，此设备方便携带，价格只有几百美元一台。

此技术还可以用于探寻内部工作的外面表象。我们周围的电磁场无处不在，且会因我们的活动而发生轻微的变化。足够精确的时钟会因这些磁场的变化而出现不安，通过这一情况就能推测出什么东西在哪里，何等东西在运动。像老鼠的心脏一样，一排同步时钟能打造实时的环境持续变化图，这一研究叫作无源雷达。通过此技术，科学家最终可能会找到时空和重力之间的想到作用。

宇宙学家对此特别关心，宇宙早期模型表明物理学定律会随着时间发生变化，它还将会随着我们的探测能力而出现变化。若果真如此，科学家则希望此极度精确的时钟能提供时空结构变迁的第一个证据。（古道）