冷原子鐘，顧名思義，冷原子做成的鐘（這看起來像一句廢話）。好，那要解釋這個(gè)東西就可以分為二個(gè)方面：什么是冷原子？然后如何能成為鐘表？

激光冷卻

冷原子就是冷卻的原子，那如何來冷卻原子，用激光（激光的確是個(gè)好東西）。在光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)大講堂第1期：什么是光鑷中就提到過，激光與物質(zhì)相互作用的時(shí)候會(huì)發(fā)生力學(xué)效應(yīng)，我們通常稱之為光壓。用中學(xué)的力學(xué)知識(shí)分析的話，就是光子具有一定的動(dòng)量，方向?yàn)楣獾膫鞑シ较颍绻驮影l(fā)生碰撞，那么會(huì)把能量傳遞給原子。舉個(gè)栗子，一個(gè)粒子朝你飛來，那如何讓他停下來，自然是對(duì)著粒子的傳播方向施加一個(gè)力，讓它減速。好，問題又來了？那我們?nèi)绾沃肋@個(gè)粒子往哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，答案是不知道，因?yàn)榉肿幼龅氖菬o規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)（中學(xué)物理知識(shí)）。但這不是關(guān)鍵，我們只要能夠讓它減速就行，不需要知道它具體的運(yùn)動(dòng)軌跡，換句話說，它要怎么跑，我就不讓它怎么跑。這里插一句，物質(zhì)的溫度來自于本身的熱運(yùn)動(dòng)，如果原子運(yùn)動(dòng)得少了，自然溫度就變低了，所以稱之為激光冷卻。

     關(guān)鍵時(shí)刻終于到了，我們?nèi)绾巫尮庾柚乖拥倪\(yùn)動(dòng)。我們都知道，原子有能級(jí)的概念，滿足一定能量的光子才能被原子吸收，少一點(diǎn)都不行（參考愛因斯坦的光電效應(yīng)）。這是其一，其二是光的多普勒效應(yīng)。何謂多普勒效應(yīng)，舉得例子，小明和小紅相向運(yùn)動(dòng)（對(duì)著走），速度都是1m/s，假設(shè)小明是粒子，小紅是光子，從我們的角度看，光子的速度是1m/s，但是對(duì)于粒子來說，光子的速度是2m/s。額，自然這個(gè)比喻不怎么恰當(dāng)，光子的速度永遠(yuǎn)都是3×10^8 m/s，所以改變的其實(shí)是光的波長（即頻率），自然改變了頻率就是改變了光子的能量?，F(xiàn)在，我們把這二者結(jié)合起來，讓激光發(fā)出比原子能級(jí)躍遷的能量少一點(diǎn)點(diǎn)（現(xiàn)在的技術(shù)確實(shí)能做到這一點(diǎn)），那么如果粒子不動(dòng)，自然不會(huì)吸收光子，如果它朝任何一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，自然讓相向而行的激光達(dá)到能級(jí)躍遷的能量，然后吸收光子（即與這些光子發(fā)生碰撞），而同向運(yùn)動(dòng)的光子頻率降低，光子能量不足以被吸收，從而減慢粒子的運(yùn)動(dòng)。

冷原子鐘

利用這個(gè)方式，我們可以把原子冷卻到絕對(duì)溫度百萬分之一度以下，但是絕對(duì)達(dá)不到絕對(duì)零度，就像我們永遠(yuǎn)也達(dá)不到光速一樣。額，這不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是冷原子跟我們的鐘有什么關(guān)系？好，那首先還是介紹下原子鐘吧。

     根據(jù)原子物理學(xué)的知識(shí)，我們得知不同的原子核周圍的電子層是具有不同的能級(jí)差，我們也把它叫做特征振動(dòng)頻率或者特征譜線。例如，我們目前采用“秒”時(shí)間的定義：銫原子的一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)所釋放電磁波的9192631770個(gè)周期所需要的時(shí)間。各位看官看到這里估計(jì)還是很懵，我們定義“秒”的時(shí)長干嘛？好吧，這問題我就不回答了。其次，我們?yōu)樯兑阉x成為銫原子振蕩9192631770次的時(shí)間長度？恩，這個(gè)我可以回答，這是官方規(guī)定（其實(shí)是這樣子定義很精準(zhǔn)）。

     拋開上面的問題，我們繼續(xù)。那我們?nèi)绾巫龅?？大家都聽說過共振這個(gè)概念，當(dāng)二個(gè)物體的振動(dòng)頻率越近時(shí)，共振強(qiáng)度越高。所以，我們讓銫原子經(jīng)過微波場(chǎng)，然后通過調(diào)控微波頻率達(dá)到共振目的，再通過熒光探測(cè)器探測(cè)強(qiáng)度。自然，熒光光強(qiáng)最高的點(diǎn)，就是共振頻率的點(diǎn)，那么調(diào)節(jié)到這個(gè)點(diǎn)的微波頻率就是我們想要的頻率（即時(shí)間的定義）。

問題又來了，技術(shù)上解決了，但是這個(gè)過程非常具有技術(shù)含量。銫原子在常溫下平均速度達(dá)到幾百米每秒，通過微波腔的時(shí)間非常短，極大地限制了鎖頻的穩(wěn)定度。所以，激光冷卻技術(shù)登場(chǎng)了，你不是嫌速度太快嗎？激光冷卻可以極大地降低銫原子的運(yùn)動(dòng)速度。原子鐘的精度原先誤差為1秒/300萬年，冷原子鐘的精度可以提高到1秒/3億年，提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

     最后一個(gè)問題，那為啥冷原子鐘還要去“天宮二號(hào)”實(shí)驗(yàn)室？我們都知道，地球是有引力的，如果在外太空的話，引力會(huì)大大地降低，自然可以更大程度上降低銫原子運(yùn)動(dòng)速度（我們采用的是垂直方向，所以也有噴泉原子鐘的說法），增加鎖頻時(shí)間，從而更精確地對(duì)準(zhǔn)共振頻率。預(yù)計(jì)空間冷原子鐘的精度可以再提高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

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