http://m.henanjusheng.com 2007-12-18 10:45 來(lái)源:儀器儀表信息網(wǎng)
世界最精確的時(shí)鐘就深藏在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所這所6層的混凝土大樓里。這里,你能聽(tīng)到數(shù)字世界最精確的心跳。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)側(cè)重激光和量子物理學(xué)的研

世界最好的時(shí)鐘在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所里制成

NIST-F1是美國(guó)最標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘,也是世界最精確的實(shí)用時(shí)鐘

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所最新修正過(guò)的氫微波激射器

此芯片大的原子鐘可精確到十億分之一秒

此紅激光是未來(lái)超精確鈣原子鐘的一部分

在此隔間中,此紅激光集中的鈣原子上

此圓柱包含單個(gè)被捕獲的原子,與黃綠色激光共振
據(jù)美國(guó)《連線》雜志報(bào)道,世界最精確的時(shí)鐘就深藏在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)這所6層的混凝土大樓里。它看起來(lái)好像只是一項(xiàng)青少年科學(xué)展覽項(xiàng)目,擦亮的鏡頭和鏡子雜亂地堆在一個(gè)閃爍著微弱銀光的圓柱上,并被一個(gè)清晰的塑料帳蓬蓋住,加以保護(hù)。
現(xiàn)在存放于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的這個(gè)銫原子鐘就是大名鼎鼎的NIST-F1。不過(guò),等到F2明年出來(lái)時(shí),此F1將會(huì)遜色不少。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的時(shí)間與頻率部主任湯姆·奧布來(lái)恩說(shuō):“我們?cè)跁r(shí)鐘的研制方面基本上遵循摩爾定律,每10年就會(huì)提高一大等級(jí)?!?nbsp;
時(shí)鐘的精確度帶來(lái)了一門有關(guān)危機(jī)存在的時(shí)間科學(xué)。自從1904年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所從德國(guó)制表廠購(gòu)買一座擺鐘以來(lái),如今此單位已經(jīng)成了時(shí)鐘記錄的保持者,打造了世界最精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。
其最新一代原子鐘其精確度已經(jīng)超越了原來(lái)狹小的范圍,使許多時(shí)鐘的精確度成了廢物。而且,該所400名科學(xué)家、工程師和員工對(duì)時(shí)鐘的研究更加投入,更精益求精,他們正在將原子鐘縮小成谷粒大小,并測(cè)試新的精確度,以探測(cè)重力和磁場(chǎng)的相對(duì)波動(dòng)。10年內(nèi),他們的工作將對(duì)醫(yī)學(xué)成像和地質(zhì)勘測(cè)等不同領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
顯舊的米色墻壁和多變的油布地面,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的時(shí)間與頻率部在刻苦改寫(xiě)時(shí)間的精確度。一些看起來(lái)心煩意亂的科學(xué)家在大廳里來(lái)回走動(dòng),偶爾看一眼外人。畢業(yè)生則身穿古怪的T恤,在樓內(nèi)踱步,夾著好用的工具和厚厚的文件夾穿行于辦公室和實(shí)驗(yàn)室,而電纜和管道則彎彎曲曲地橫過(guò)天花板。
時(shí)間精確度是當(dāng)今數(shù)字世界的心跳
因?yàn)闀r(shí)間精確度是當(dāng)今數(shù)字世界的心跳。每一個(gè)手機(jī)基站安裝上原子鐘,可以從一個(gè)塔管理另一個(gè)塔。而太空時(shí)鐘會(huì)讓汽車中的GPS告訴你身在何處,較小的時(shí)鐘可以讓你的無(wú)線裝置能調(diào)諧。當(dāng)汽車具備穩(wěn)定控制能力時(shí),可以讓你避免車禍。這就是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所密室中的銫原子鐘的大好用途。
然而,光學(xué)頻率測(cè)量集團(tuán)的物理學(xué)家利奧·何爾伯格更加關(guān)心未來(lái)的時(shí)間。他們正在測(cè)試一種新的時(shí)間精確度,是采用鈣和鐿這樣的原子來(lái)測(cè)量。像NIST-F1一樣,銫原子鐘使用激光來(lái)給銫原子減速,以達(dá)到測(cè)量狀態(tài),之后調(diào)整微波信號(hào),使其接近銫的共振頻率每秒9,192,631,770個(gè)周期。
通過(guò)這一辦法,可以將F1精確度達(dá)到最佳。為了達(dá)到F1的最佳精確度,科學(xué)家得知道它們相對(duì)此時(shí)鐘的精確位置,再考慮天氣、海拔和其它外在因素的影響。比如,熱天下,連接F1與美國(guó)科羅拉多州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的光纖會(huì)延長(zhǎng)10毫米,科學(xué)家得不斷跟蹤和加以計(jì)算。在F1的精確度下,位置變動(dòng)都會(huì)影響原子鐘的精確度。比如,最近科學(xué)家將原子鐘從3層移到2層之后,他們得重新調(diào)整其系統(tǒng),才能彌補(bǔ)高度下降3.5米所導(dǎo)致的誤差。
相對(duì)鈣和鐿原子,銫原子可以算是原子鐘之父了。何爾伯格的研究小組要專門調(diào)整這些粒子,由于采用微波來(lái)做太慢,于是科學(xué)家改用彩色激光來(lái)代替。何爾伯格說(shuō),每一個(gè)原子都有自己的光譜特征,鈣對(duì)紅色產(chǎn)生共振作用,鐿對(duì)紫色有共振作用。根據(jù)這一原理,科學(xué)家希望制造出更加精確的汞離子鐘,打造絕對(duì)穩(wěn)定的時(shí)鐘。
修正地球形狀的相對(duì)變化
屆時(shí),足夠精確的時(shí)鐘能修正地球形狀的相對(duì)變化,由于地球形狀因環(huán)境因素的變化而出現(xiàn)的變化,因此要對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行的修正。之后,科學(xué)家還將修正宇宙、天體物理學(xué)和時(shí)空的變化情況,繪制磁場(chǎng)和重力變化圖。這意味著不同的地形會(huì)有不同的重力偏移??茖W(xué)家憑此可以繪制石油、液體帆巖漿和地下水的分布圖。總之,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所正在打造首個(gè)探尋水源和礦藏的高科技探棒。
對(duì)于一艘行駛的船只,這種時(shí)鐘會(huì)因海底形狀和地球深處密度的變化而改變頻率。對(duì)于火山,這種時(shí)鐘頻率會(huì)隨巖漿的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)而變化。科學(xué)家使用這些變化的地圖就能區(qū)分鹽水和淡水區(qū)域,或許最終能根據(jù)地面下重力的變化來(lái)預(yù)測(cè)火山、地震和其它自然災(zāi)難的爆發(fā)。
此外,科學(xué)家還在思考制作微型的原子鐘,大小只有方糖大,可以用AA電池帶動(dòng),奧布來(lái)恩說(shuō),其最顯而易見(jiàn)的應(yīng)用是讓GPS接收器更加精確,當(dāng)然還有其它用途。
去年秋天,美國(guó)匹茲堡大學(xué)的研究人員使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所生產(chǎn)的谷粒大原子鐘,繪制了老鼠心跳的磁場(chǎng)變化圖。他們將此時(shí)鐘放在老鼠胸部之外2毫米的地方,每次心跳一下,就觀察老鼠富含鐵的血液是如何影響此時(shí)鐘的滴答聲的。從此,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所將此時(shí)鐘精確度提高了巨大的數(shù)量級(jí)。他們將一排這類時(shí)鐘用作磁力計(jì),成了一種全新的成像設(shè)備,可用于檢查心臟和大腦的活動(dòng)。而且,此設(shè)備方便攜帶,價(jià)格只有幾百美元一臺(tái)。
此技術(shù)還可以用于探尋內(nèi)部工作的外面表象。我們周圍的電磁場(chǎng)無(wú)處不在,且會(huì)因我們的活動(dòng)而發(fā)生輕微的變化。足夠精確的時(shí)鐘會(huì)因這些磁場(chǎng)的變化而出現(xiàn)不安,通過(guò)這一情況就能推測(cè)出什么東西在哪里,何等東西在運(yùn)動(dòng)。像老鼠的心臟一樣,一排同步時(shí)鐘能打造實(shí)時(shí)的環(huán)境持續(xù)變化圖,這一研究叫作無(wú)源雷達(dá)。通過(guò)此技術(shù),科學(xué)家最終可能會(huì)找到時(shí)空和重力之間的想到作用。
宇宙學(xué)家對(duì)此特別關(guān)心,宇宙早期模型表明物理學(xué)定律會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化,它還將會(huì)隨著我們的探測(cè)能力而出現(xiàn)變化。若果真如此,科學(xué)家則希望此極度精確的時(shí)鐘能提供時(shí)空結(jié)構(gòu)變遷的第一個(gè)證據(jù)。