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NPL:铯:计时技术小史

    作为一个化学元素,铯实际上已经重新对时间进行了定义。
    自小时候到现在,在各种场合你都被告知准时很重要。现在,有了铯原子,全世界各个地方的时间都能保持准确,准确到让我们感到需要重新思考时间是什么。而且我们发现计时技术中存在一个奇怪的缺陷。
    事实上是在近些年来人们才意识到准确及时的重要性。并不是我们的祖先不需要知道时间,他们当然需要。几千年来,人类制造出多种多样精致的仪器来衡量时间的流逝。
    但事实是直到175年前,在那之前的几千年里,人们对于时间的定义来源都是太阳。不管走到哪里,你总能认出什么时候是正午。晴天里只要看一眼天空或者看一下日晷,你就能知道时间。
    这一切随着世界上第一条铁路线的开通而改变了,这第一条铁路就在这里,在我们英国。
    在那之后人们都知道伦敦的正午比布里斯托(Bristol)的正午早10分钟,这是一个精确的值,它是阳光走过两座城市之间的经度差所需要的时间。
计时系统出现错误导致的将不只是乘客会误车。由于计时偏差导致的危险事件甚至火车事故越来越多。
    1840年11月,英国西部铁路公司(Great Western Railway)解决了这一问题,他们使用了一个叫“铁路时间”(Railway Time)的计时系统。系统内所有城市的时间都是伦敦时间,这是第一次人们根据一个标准将不同地点的时间同步起来。
    此举引起了很大争议。突然间,皇家格林尼治天文台(Royal Observatory)就可以从遥远的格林尼治控制你的时间系统。
    埃克赛特大学的校长拒绝将学校大教堂的时钟调整至英国西部铁路公司所要求的时间。布里斯托采用了一个折中的方案:时钟上有两个分针,一个显示当地时间,一个显示“铁路时间”。

 
    这座钟位于布里斯托,钟上仍旧有两根分针,两者表示的时间相差十分钟

    然而“铁路时间”逐渐成为了英国很多地方的时间标准,而且在世界上其他后来修建铁路的地区大多数都采用了“铁路时间”的标准。
    但你可能要问,这些与铯原子有什么关系?
    答案是只要你有一个远程操控的网络,计时的精确对于时间的同步是至关重要的。而且所需要的传输速度越快,计时的精确度就越重要。因此在现代社会,信息以近乎光速的速度在线路中或者空中传播,计时精确度就更加重要。
而铯原子的作用是大幅度改进了时间计量的标准。
    最近我去了一趟英国精确计时技术的故乡。并不是格林尼治,而是位于伦敦郊区特丁顿(Teddington)的英国国家物理实验室(National Physical Laboratory)。
    在一个高级工业园区里立着一些办公大楼,墙壁上的玻璃闪闪发光。就是在这些大楼里,科学家们正在进行前无古人的科学探索。
    1930年正是在英国国家物理实验室,物理学家Louis Essen制作出了世界上第一个石英闹钟,它的精度在当时是最高的,同时也预示着铯原子钟的到来。
    石英钟利用了一个原理:如果对石英晶体通电,石英晶体会以极高的频率振动。这种频率叫作共振频率,地球上每个物体都有其共振频率。
    据说当一个女高音唱到她的最高音时,那个声音能让一个香槟杯碎掉,这就是因为声音达到了杯子的共振频率。这也就是1831年兰卡夏郡Broughton的吊桥倒塌的原因。军队在桥上走过时,行进步子的频率无意中达到了吊桥的共振频率,使得吊桥发生剧烈震动,造成螺丝断裂桥体倒塌。自那以后,军队会警告他们的士兵在经过吊桥时要打乱脚步。

 
接下来:一个香槟杯的共振频率

    为了理解这种共振现象如何帮助计时,想想落地大摆钟的钟摆。钟摆每摆动一次,钟就过去一秒。
    石英的作用就相当于钟摆,只是振动比钟摆快得多:它的共振频率比“秒”的振动频率快数千倍。
    而这就是人们为什么需要铯原子的原因。铯原子的共振频率比石英还高很多倍,准确点来讲是9192631770赫兹。这是Essen选择它来制作第一台新型钟(即原子钟)的一方面原因。
    Essen制造的石英钟在三年内仅仅偏差了一秒。而他在1955年于英国国家物理实验室制造的第一台原子钟精度达到了一百四十万年偏差一秒。
    但为什么选择铯原子呢?

 
Louis Essen(右)在1955年造出了世界上第一台铯共振器

    在英国国家物理实验室的一个科研室,伦敦大学学院的化学教授Andrea Sella向我展示了一个锡皮盒。他打开盒子拿出了一团布料。布料中包着一个玻璃瓶,瓶子里充满了一种银金色的金属。
    他用手握着玻璃瓶,金属慢慢融化成了液体。
    当我拿过玻璃瓶时,他警告我:“不要把瓶子摔掉了!”
    他解释说之所以需要这样严密的防护是因为铯是一种碱金属,铯在元素周期表第一列。铯的化学性质很活泼,甚至超过钠和钾。
    他警告说:“铯一旦沾水就会释放出氢气,发出一声巨响,因为氢气会发生爆炸。”
    在周期表第一列说明铯原子的最外层有一个单电子。这就是为什么铯的化学性质这么活泼,也正是这个单电子的运动行为引起了Essen的兴趣。

铯:一些关键事实

 
    1860年由德国科学家罗伯特•本生和古斯塔夫•基尔霍夫发现。
    一种带有金色的银色金属,是所有金属中化学性质最活泼的,最质软的。
    熔点28.4摄氏度,意味着在稍高于室温的温度中就会呈现出液态。
    遇水会剧烈反应,遇空气也会自发反应。
    储量约为铅的一半,为银的70倍。资料来源:《不列颠百科全书》

    科学家带我来到英国国家物理实验室建筑楼群中很深的一个房间,房间的门用一种高级电子锁保护着,这里存放着科学家用来为英国制定计时标准的机器。
    这个机器叫作“铯喷泉钟”(caesium fountain),在这里我还遇到了喷泉钟的保管人Krzyszt of Szymaniec。
    不要把这里的“喷泉”想象成宫殿花园里的喷泉。它就像一个家用热水箱,它用不锈钢制成,外面缠着各种电线,底部还装有其他一些机件。
    虽然看起来不漂亮,但这是地球上最精确的钟之一。

    Szymaniec解释了铯喷泉钟的工作原理,它用一束激光使若干铯原子紧紧地聚合在一起,铯原子的振动几乎停止,温度仅比绝对零度高一点点。
    另外再用激光让这堆原子进入机器的箱子中,原子在重力的作用下坠落,因此被称为“喷泉”。
    接下来就将一束微波辐射的频率调到铯原子的共振频率。就像香槟杯和吊桥一样,当频率恰好达到某个频率值时,铯原子被激发,引起最外层的单电子进入更外层的轨道。这种现象叫作一次“跃迁”。

 
1860年合作发现铯原子的两人之一罗伯特•本生

    单电子在进入外层轨道时吸收能量,当它回到原轨道时会以光的形式释放所吸收的能量,同时发出轻微的荧光。这意味着你可以判断出何时达到了9192631770赫兹的频率。正是因为这个跃迁频率比石英的共振频率高出很多,铯原子钟的精度大大超过石英钟。
    Szymaniec自豪地告诉我,英国国家物理实验室的铯喷泉钟精度达到了每1.58亿年偏差一秒。这就是说,假如这座钟从恐龙奔跑翼龙飞行的侏罗纪中期开始计时,到现在它仅仅偏差了一秒。
    令人震惊的是,根据现代科技的发展程度,造出比铯喷泉钟更加精确的钟并不是梦想。
    这是因为对于计时技术,铯原子实际上只是一个经过妥协的选择。Szymaniec解释说,Louis Essen之所以选择铯原子,是因为铯原子的跃迁频率是那个年代的技术所能测量出的极限频率。
    如今我们有了新的测量时间的方法。
    英国国家物理实验室的科学家正在试验元素锶和镱。这两种元素的原子频率更高,频率已经超出了微波谱的范围而到达光谱。

 
如图中所示的钟,锶原子或镱原子光钟甚至比铯原子钟更精确

    以锶原子为例,它的跃迁频率为444779044095486.71赫兹。美国开发的锶原子钟如果从地球存在时开始计时,到现在的偏差仅为一秒,精度达到约五十亿年偏差一秒。
    英国国家物理实验室的科学家预计人类已经有能力造出精度达到一百四十亿年偏差一秒的光钟,而宇宙自诞生到现在还不到一百四十亿年。
    如果你觉得这种高得变态的精确度似乎无意义,那么再细想一下,以卫星导航为例,如果没有铯原子钟,卫星导航就是不可能的事。GPS卫星中携带一些同步的铯原子钟,这些钟合起来就能利用卫星基本三角定位原理确定你在地球上的位置。
    而且这仅仅是实际应用领域的一方面。Leon Lobo是英国国家物理实验室负责授时的人,他的工作是把准确的时间传到全英国。当然这项服务是收费的。
    英国国家物理实验室最近开始了一项新的服务,为商业活动提供标准化的计时服务,计时的精度达到一微秒——百万分之一秒。Lobo有一大批目标客户,他们都有一项共同的需求,就是他们需要保证一个运行速度远高于火车的网络在时间上同步。
    以电网为例。随着风能和太阳能的应用越来越广泛,而风与云的运动可能会出现不可预测的暂停从而影响到电能,电网就需要对电能的这种变化进行精确计时。如果计时出现错误,就会出现停电故障。
    Lobo最大的目标客户是金融市场。如今在全球人们都用电脑进行交易,每秒钟就完成数千笔交易,信息在电线中的传输速度近乎光速。
    在现代社会,一次火车事故就相当于一次不合时宜的赌注,导致数百万美元的损失,同时还可能轻易让市场崩垮。自然地,金融管理者越发需要一个具有高精度的时间戳来保证每笔交易的准确性。
    但是铯原子钟的精确性曾经让全球的计时系统发生过一次大变动。究其原因,我们需要将视线拉回1967年。
    那一年,科学界基于铯原子的跃迁修改了国际时间标准“秒”的官方定义。是的,铯原子重新定义了时间。

 
“秒”的定义

    铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。
    这是一次重大的改变。在那之前,人类定义时间(甚至是铁路时间)的根据都是与地球相关的太阳的运动。而现在一切改变了。时间的定义依据不再是太阳,替代它的是铯原子。但是科学家好奇再过多久铯原子又会被锶原子或镱原子代替。
    将时间标准改为原子时是有道理的。因为科学家发现根据地球自转计量时间并不是一个可靠的选择。每一天、每一年的长度都不是恒定不变的。
    首先,地球的转动正逐渐变慢,因此日平均长度正一天天以缓慢的速度增加。然后还需要考虑海潮、版块漂移以及地幔对流等因素,这些都导致以地球转动为依据的时间出现略微的不稳定。
    这对于Felicitas Arias很重要,她的工作是保证全世界计时系统的稳定。她是位于巴黎的国际计量局(BIPM)的计时部门主任,国际计量局负责确保全球各时间计量系统的一致性,以及对现有的时间标准“世界标准时”进行修改。
    当1960年人们首次使用“世界标准时”时(比全球定位系统的使用还早很多),“世界标准时”给还在用钟来确定他们在大海上的经度的航海人员带来一个潜在的问题。

杂志上的更多趣闻

    “第一个改进了计时工具的精度的人其出发点不只是学术兴趣。十七世纪末期,钟表设计研究是国家安全不可分割的一部分。导航技术和测绘技术对于战争中的成功指挥至关重要,在这段时期,英国与法国和荷兰打了几次战争。

Lisa Jardine:科学家是如何造出世界上第一个智能手表的
    科学家仍旧使用了John Harrison(英国另一位计时技术先驱)在1761年制造超精度钟时应用的系统。他们把一个特定地点的太阳或星星的位置与另一个地点(通常是格林尼治)时钟上的时间作比较。每差四分钟代表向西或向东差一经度。
    但是科学家为了确保继续应用这项技术,坚持使“世界标准时”与地球不稳定的自转保持同步。这表示有时需要加入一个“闰秒”,Arias的工作就是确定什么时候加入这个“闰秒”。
    Arias告诉我:“以前有很长一段时间每两年添加一闰秒,然后有七年时间没加。再后来就改成了每两年半添加一闰秒。”
    但是每次加入一闰秒时,全世界所有的原子钟都需要调整。
    我们大多人意识不到每几年改动一两秒的影响,但是计算机不是 这样。它们可能在一瞬间自动关闭,这显然使它们易受到黑客攻击。或者失去同步性,从而导致电车事故。
    虽然这类故障未曾发生过,但Arias相信如果发生,后果将使灾难性的。
    她警告说:“如果金融系统中出现一秒的错误,就可能引发金融业地震。”
    想到金融业损失数百万美元的交易可能不会让你恐惧,但Arias担心如果铯原子时出现错误,那些与铯原子时保持同步的发电站、手机系统和卫星导航系统会发生崩溃。

 
时间就是金钱,特别是纽约证券交易所里的金融交易

    这就是为什么科学家要完全抛弃闰秒而纯粹采用原子时。航海人员一直都在使用卫星导航,所以这一改动不会对他们有多大影响。但完全切断时间与天体运动的联系会改变很多。因为地球的自转在减慢,因此你的手表上的时间将逐渐与太阳的起落产生偏差。
    Arias说:“我们预测这种偏差在一千年内可以达到一小时。”
    令人惊讶的是Arias在说到这时却是很自然。她说我们大多数人已经失去了与太阳时的同步。
    由于地球的轨道是椭圆形的,太阳时最大会与平均太阳时偏差十六分钟。如果考虑时区的影响,时区把时间分成若干区域,偏差就更大了。以中国为例,中国东西相差五千公里,一个时区就相当于一小时四十分太阳时。
    世界上有些国家为了节约日照每年调整两次时间,这实际上夸大了问题。
    但是很多国家拒绝抛弃添加闰秒的方案。比如英国,几世纪以来,格林尼治子午线一直是国际计时的基准,英国坚持闰秒的影响并不大。
    也许这些国家的立场也是有道理的,因为时间的定义本就不太可靠。
    1971年科学家把三座铯原子钟放在商业客机上绕地球飞行。等飞机回来后,科学家将三座原子钟与存放在美国海军天文台的铯原子钟进行比较。

    在科学家针对空中飞行对铯原子钟的影响进行科学测试的五年之前,这座原子钟首先进行了一次从伦敦到美国的飞行。需要将原子钟插在一个电源插座上,然后用一根皮带扎起来。
    科学家发现经过严密包扎的铯原子钟时间略微变慢,而偏差的量正好与爱因斯坦的相对论所预测的相吻合。这就反过来证明了爱因斯坦假说的成立,即时间流逝的速度取决于物体在宇宙中的位置以及运动速度。
    今天,GPS卫星上的原子钟在调整时必须准确考虑到相对论所产生的效应。
新一代超高精度光钟可能会利用相对论绘出地球的重力场,方法是计算重力效应导致的时间上的微小差别。
    可是慢着,想想这是多么讽刺。铯原子钟恰好证明了想要精确计量时间是不可能的。