鍶原子鐘

哥本哈根大學的核物理學家簡·胡姆森教授說：“原子由原子核和電子組成，電子圍繞原子核在精確的軌道上旋轉。”胡姆森教授和美國科羅拉多州大學的科學家一同從事此原子鐘的研發工作。他說：“通過聚集的激光束讓電子在其精確的軌道之間來回擺動，就能形成此原子鐘的鐘擺。”

即使只將時間的準確度增加幾分之一秒，這將在測定長距離方面大有用途，比如測量太空中遙遠星系的距離。如今，此科學家小組還想進一步提高此原子鐘的精確度。

在時間的長河裡，1秒只不過時鐘里簡單的一聲“滴答”。但對物理學家來說，對這一“滴答”聲的定義和測量卻走過了漫長路程：1960年以前，世界度量衡標準會議以地球自轉為基礎，定義平均太陽日之1/86400為秒的定義，即1秒是1/60分鐘，1分鐘是1/60小時，而1小時則是1/24天，因此，1秒等於1天的1/86400。但是，因為地球的運轉速度及與太陽的距離在改變，所以，—個正午至第二個正午的時間，並非都一樣長。

1960年至1967年間，世界度量衡標準會議改以地球公轉為基礎，定義1900年為平均太陽年，秒的定義更改為“太陽年之31556925.9747分之一”。

在1967年召開的第13屆國際計量學大會上，秒的定義進入原子時代：1秒鐘被定義為銫原子電子9192631770次的固有微小振蕩頻率，這個標準一直沿用至今。根據量子原理，同一原子的電子在不同能量態之間躍遷時所釋放的電磁波是恆定的，所以可以用這種頻率作為時間間隔的精確依據。

時間測量的精度也在不斷提高。1350年，第一座機械鬧鐘出現在德國。1583年，伽利略發現單擺的擺動周期與振幅無關，這是時鐘歷史上的一大進步。1656年，荷蘭天文學家、數學家惠更斯提出了單擺原理並製作了第一座自擺鐘，從此，時鐘誤差可以秒來計算。到1762年，最好的機械錶已經能夠達到每3天才差1秒鐘的精度，但在航空、航海和物理學研究領域還需要更精確的計時。

1945年，美國紐約哥倫比亞大學物理學家拉比提出用原子束磁共振技術來做原子鐘的概念。1948年，NIST用氨分子作為磁振源，製成了世界上第一台原子鐘。1952年，NIST製成第一台銫原子鐘，將之命名為NBS-1(是以當時的美國國家標準局〈National Bureau of Standards〉命名，簡稱NBS)，這一命名規則一直延續到1975年的NBS-6。現在存放於NIST的銫原子鐘為NIST-F1，精度為3000萬年差一秒。

還有沒有比這更精確的時鐘呢？物理學家們上下求索。鍶原子能級躍遷的速度比銫原子快1000倍，從理論上講，鍶原子鐘比銫原子鐘更準確，但是，鍶原子鐘製作落後於銫原子鐘，因為測量頻率如此之快的“滴答”聲非常困難。

採用同樣的原理，日本科學家曾在2005年創建出一台鍶原子鐘，但是這台鐘對頻率的測量誤差為27赫茲。葉軍的研究小組建造了更穩定的激光晶格，能夠讓光晶格更牢固，從而阻止鍶原子因移動而干擾信號，他們的最新成果發表在2007年3月出版的《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，其頻率的不確定性被減小到0.4赫茲, 測量誤差減小到1.1赫茲。

以前，卡爾·蔡司研究獎都頒發給具有很強應用前景的研究項目，如對眼睛的光力學治療技術或藍光二極體的發明，但2007年度的獲獎成果卻是純粹的基礎研究。

這在遠距離的搖控導航中尤其重要。計時越準確，目標的定位就越精確。比如，鍶原子鐘可用於做更好的全球衛星定位系統(GPS)，對30多年前發射的旅行者1號進行導航。

精確計時還可用於對宇宙常數進行重新測量。2006年，physorg.com在評價葉軍的超精確測量實驗工作時曾指出：“這將有助於科學家們檢驗自然界中的精細結構常數從宇宙形成初期到現在130多億年的時間是否在變。”“因為精細結構常在很多物理領域得到應用，所以對它的測量是檢驗已有物理理論是否一致的一種方法。

宇宙大爆炸理論認為，宇宙開始是一個無限小的奇點，突然爆炸后產生今天的世界，變化那麼大，當時的常數有可能與現在的常數不一樣。但高能物理又想將愛因斯坦的相對論引力場與量子力學結合起來，產生標準模型，大家去作不同的修正，在修正過程中會用不同的理論和常數。其中一個就是用基本常數來測量，如果真正測量出這些微小變化的量，那麼會影響到我們對整個宇宙的理論。