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铯:计时技术小史

减小字体 增大字体 作者:计量战略所 编译 来源:计量俱乐部 时间:2015-01-30

  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。

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