“时间魔盒”原子钟

科学史话

时间是人类生活中最重要的事物之一，中国自古就有“一寸光阴一寸金”的谚语。英国著名物理学家霍金的科普著作《时间简史》风靡全球，中国流行歌曲“时间都去哪儿了”也广为传唱，都说明了人们对于时间的重视和关注。时间不但在日常生活中扮演重要角色，在科学研究中也起着举足轻重的作用，研究天体乃至各种地球物体的运动都离不开对时间的测量。所以，近代科学巨匠牛顿在其划时代的著作《自然哲学的数学原理》一开始，就对时间进行了讨论和定义。他认为，时间是“绝对的、真实的和数学的”，并且“均一的流动”“与任何外在的东西无关”，但可以通过物体的运动被感觉到并进行度量。

实际上，通过物体运动对时间进行计量，无论在中外都有悠久的历史。人类经历了诸如日晷、漏刻、沙漏、钟摆、石英震荡等等计时方式之后，在20世纪四十年代末，由于美国科学家发明了一种利用测量原子稳定能级之间跃迁的方式来计时的方法后，进入了所谓的“原子钟时代”。

原子钟的计时方式是采用测量一种稳定的原子能级之间的跃迁频率作为计时的方法。经过改进后，这种计时方式比过去的天文钟和石英震荡钟都要精密和稳定得多。因此，在1967年，国际度量衡大会决定采用原子钟来定义基本时间单位，即用铯元素唯一的稳定同位素铯－133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间长度作为1秒。到20世纪末，一方面通过进一步对原子钟的使用条件进行严格规定，另一方面通过技术改进，例如使用激光冷却和原子俘获，以及更精密的激光光谱技术，使原子钟的精确性有了更大的提高。这种精确的计时装置使时间的计量更加统一和准确，为科学技术研究、现代生产活动和人们的日常生活都带来了很大的方便。