物理學家葉軍：初識原子鐘
一個強國如果沒有一台好的原子鐘，就不是真正的強國。
美國科羅拉多大學科學家研發的鍶晶格原子鐘
原子鐘聽上去是個很難的東西，但說到底就是利用原子中電子軌道做的原子單擺——世界上最準的鍾。
鍾是衡量時間的。而時間這門學問非常神奇。你每天早上起床，沒有鬧鐘，沒關係，到了那個時間自然就會醒過來。鳥、魚的腦子裡好像都有一台鐘，告訴它們往什麼方向走，什麼時間吃東西、休息，告訴它們日出日落的關係。這是生物鐘，學問大得很。
時間也是一門哲學。宇宙怎麼來的，以後會怎麼變化，我們能否回到過去，物理學家和哲學家都對此進行了大量思考。愛因斯坦有句話很有名：你高興的時候，時間過得就快——開個玩笑。他說的其實是，對於運動的物體來說，時間會變慢。這已經通過很多方式包括原子鐘得到了證明。
用來衡量時間的鐘，對人類的發展起著重大的作用。古代人發明日晷，根據太陽照射的投影來判斷和計算時間，直到18世紀，絕大部分的鐘都是利用類似的天文觀測途徑，但以太陽為參照物誤差太大，地球自轉公轉也並非恆速，太陽與地球又距離太近。相比之下，用一顆遙遠的星星的位置來計算時間甚至都比太陽要準確，因為星星的光相對於地球是平行光，每天出現在視野中某一位置的時間基本上是很精確的。
出於航海的需要， 17世紀英國國王查理二世下令建造了皇家格林尼治天文台，同時懸賞大筆獎金，找人發明在海上也能準確計時的鐘錶。在此之前，水手和航海家們只能通過觀察太陽來確定自己的位置。一個普通工匠約翰·哈里森發明了的海洋計時錶，既準確、又方便攜帶，大大地改善了水手們海上的計時條件。
然而，不管是日晷、機械鐘還是原子鐘，不管製造者是誰，造價多少，所遵循的規律是相同的，那就是大自然的標準。我們現在利用原子槓桿來製作原子鐘，看上去是一門非常前沿的科學，但實際上，原子從宇宙誕生那一刻就存在了，而且原子的電子軌道結構非常精確，軌道和軌道之間能量級不同，電子在軌道間躍遷。從一個電子態跳到另一電子態能量的間距，專業辭彙叫做電子頻率，這個頻率非常穩定，很適合做為槓桿（單擺）。
原子槓桿的另一好處是，它的單擺周期要比人工單擺短得多的多。我們知道，測量長度距離時，尺子單位越小精度就會越高，同樣，測量事件A和事件B之間的時間距離，單擺擺動次數越多，誤差就越小，所以如果這個單擺擺了不是30次，而是1000萬億次，你把每一次單擺的數字都記下來的話，測量的誤差就非常非常小。
原子單擺周期短到0的-15次方秒，一秒可以擺動1000萬億次；而宇宙的壽命很長，150億年。一個很長，一個很短，看起來和我們日常生活沒有任何關係，但如果把原子單擺的周期乘上宇宙的壽命，得到的時間是30秒，就相當於我講一句話的時間，這是實實在在的時間，這就是科學的神奇之處——30秒，把無限短的時間和無限長的時間聯繫在一起，用極小的尺度來測量極大的東西的科學規律。
原子鐘的應用領域非常廣泛，溫度、壓強等物理量的測量，如果和時間聯繫起來，就會非常准。所以原子鐘在現代工藝和精密儀器領域都很重要。在國防科學、太空探索方面更是必不可少。
原子鐘可以將位於世界各地的幾千台望遠鏡連接起來，就像千眼觀音，可以看得很遠，看清宇宙深處很多東西。一台原子鐘可以讓美國東部、美國西部、上海和北京的四台電腦同時運行，時間的精度極其高，這對保密通訊、實時通訊來說非常重要。
一個強國如果沒有一台好的原子鐘，就不是真正的強國。就個人來講，我最感興趣的是用原子鐘根據地球重力分布來測量地球形狀。所以不管是應用科學還是基礎科學，原子鐘的作用都很大。實際上，物理學家們做的事情或多或少都和精密測量有關係。
再來簡單看看原子鐘的發展史。
上世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的伊西多· 伊薩克· 拉比和學生對原子及原子核基本性質的研究成果，使原子計時器的研製取得了實質性進展。拉比設想，原子在穿越振動電磁場時，在某種條件下，會導致電子的躍遷，從原先的超精細態到另一態。原子鐘就是利用振動電磁場的頻率作為節拍器來產生時間脈衝。1949年，拉比的學生諾曼·拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精確。1989年，拉姆齊因此而獲得了諾貝爾獎。
世界上第一個原子鐘在二戰後由美國國家物理實驗室的路易斯·埃森和約翰·帕里合作建造完成的，但這個鐘需要一個房間的設備，所以實用性不強。另一名科學家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器，相對小型，可以從一個實驗室方便地轉移到另一個實驗室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造和生產了第一台商用原子鐘，如今用於GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的後代。
後來，朱棣文在貝爾實驗室，設計了一套利用激光冷卻，捕捉並操作單個原子的方法。這項突破開啟了新的物理學領域，促進了分子生物學的重大進展，使原子鐘和重力測量變得更加精確——這大大改進了對石油、天然氣和礦物的開採。 他於1997年獲得諾貝爾獎。
目前最精確的原子鐘是我們做的鍶晶格原子鐘。為什麼會選鍶原子？有很多科學原因。簡單地說，某個原子的壽命非常長，我們才會選擇它。比方說，原子鐘用電子云震蕩作為桿杠，如果把這個電子云震蕩和普通單擺進行比較，單擺幾秒鐘擺一次，但是電子云1秒可以擺10的15次方次，而原子本身壽命是150秒，在150秒裡面它已經擺了10的18次方次，如果我們把它的擺動變成慢鏡頭，讓它1秒鐘擺1次，10的15次方次擺完所用的時間久等於用一個宇宙的壽命。所以，它的壽命品質因素很高，所以我們選來做原子鐘。
但這個單擺的頻率太快了，怎麼把它測量出來呢？最新的辦法是用激光來測量，如果能造一個非常穩定的激光器，射出的激光頻率和這個原子單擺的頻率完全同步，相當於單擺擺到哪兒，它也在哪兒，這樣就能知道速度。這是第一步。
那麼怎麼來做這個激光器？簡單的說，無非就是要兩面鏡子，把光線在鏡子裡面來回傳播，兩面鏡子的距離掌握得很准，頻率就會很准。由於光速恆定，把時間的長度和時間聯繫起來以後，就既可以用來測時間，也可以測量長度。
有一部電影叫星際旅行，我很喜歡看，裡面有很多從物理學出發的科幻。主角離開他女兒前往太空時說：我會回來的，那時說不定我們的年齡也差不多了。這句話很感人，也是相對論，從相對論角度看，這樣的星際旅行是完全正確的。所以電影結尾時，爸爸回來，但女兒已經很老，比爸爸年紀還要大很多，因為爸爸開的飛船非常得快。我們都知道，如果有人和你有相對運動的話，他的時鐘是不一樣的，她的爸爸所到黑洞附近動力很大，所以時間就會慢。
製作原子鐘會碰到兩個問題，如果一個原子鐘和其他原子鐘有相對速度，那運動的鐘時間會變慢；第二，如果你到一個運動的地方，時間也會變慢。1997年諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文、塔諾季和菲利普斯，三個人就是用6台激光器從6個不同的角度打過來，冷凍原子。但就像用乒乓球撞擊運動的保齡球，保齡球慢不下來，但是如果一秒鐘用100萬的乒乓球來撞擊呢？光子就是乒乓球，原子就是個保齡球，當原子吸收了光子能量就上去了，動量要守恆啊，原子就動了。它有一個動能，動能從哪兒來的，只能光子給它，那麼光子有頻率，原子也有頻率，這就會導致兩個頻率出現偏差。
所以要找到一個辦法，一個「彈簧」把原子拉住，光子打過去的時候，就沒有反衝了，可彈簧如果不合適，就會把原子的結構改變，那麼原子鐘就不準了。所以，我們現在用的辦法是，做一個「碗」，把原子放在裡面，它很冷，再用另一束光打到裡面，引發光波的駐波現象，把原子束縛住，我們把成千上萬個原子放在這個駐波碗里，溫度控制在很低，就做成了一個單擺。成千上萬個原子單擺同時測量，就比只測一個原子要更快，精度更高。這種技術已經處於科學的前沿，用光波來做原子鐘，把這項科學推上了一個全新的台階。
探索總能帶來太多想不到的驚喜。發明望遠鏡來觀察木星土星時，人們根本沒有想到還能看到很多衛星。你造出新的東西，就會發現新現象，那時，不管你走到哪裡，都會有你的一席之地。可年輕的時候，沒有人會告訴你怎麼走。光學科學的歷史並不長，但現在已經被用到環保、醫療上。我希望我的演講能給大家打開一扇新的窗戶，去探索未知。
問答：
您的導師是諾貝爾物理學獎獲得者約翰·霍爾，他對您影響最大的是什麼？
其實今天這個報告中有句話就是他講的，對我對人生的理解，作用很大：你要相信自己的雙手能做出更巧的事情，比別人做得更好。你們能進入交大，書念得肯定還可以，但更重要的是一定要培養出相信你的雙手能比人做得更好的理念，有信心去做事。
聽說您高中時作文寫得特別好，文學素養和您在物理學上的成就有什麼聯繫嗎？
我個人覺得文學是很重要的，因為有很多做人的道理在裡面。很多時候，一件事做到最後，已經不光是你的專業能力了，還要看你做人的能力，或者對社會的理解，對同學的幫助，思想的體悟。這都是文學，所以我覺得文學素養好，絕對是一件好事情。
您是何時產生對物理學的熱情的？
那是在高中的時候，老師特別好，帶我們去參加一個物理競賽，就是因為那次物理競賽，交大就把我們這些人提前錄取進入致遠首屆試點班，所以從那個時候開始，我就很喜歡物理。
（本文內容由胡溪瑋和林哲漢根據葉軍教授於2015年11月8日在上海交通大學的講座整理。採訪/胡溪瑋。）
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