原子鐘發展背景與現況及高精度時鐘在基礎科學扮演的角色

原子鐘 (Atomic clock) 發展背景與現況及高精度時鐘在基礎科學扮演的角色
東京大學理學博士黃郁珊編譯/國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士責任編輯

自古以來時間的計時依賴的是規律而週期的變化，比如說每天的日升日落。後來人類發明了機械式的鐘擺時鐘，其準度可達10^-5。而較晚發明的石英振盪器所產生的電子振盪訊號可到達10^-9的穩定度，使之成為原子鐘發明前最精準的計時方式。由於傳統的鐘擺或是電子振盪器的頻率易受環境條件的強烈影響（例如溫度、濕度、材質老化等等），使得他們的計時精確度無法得到進一步的突破。相對地，原子內部能階的躍遷頻率 (transition frequency) 基本上取決於各種基本常數因而具有極小的環境影響參數。因此，原子的內部躍遷頻率成為極有價值的計時參考源。自1950年以來原子鐘就成為世界上最準的計時儀器。

早期的原子鐘使用週期表第一行的氫以及鹼金元素（銣、銫等）的超精細分裂 (hyperfine splitting) 的躍遷頻率做為計時參考，主要是因為他們的頻率介於1-10 GHz的微波頻段，所以電子技術可以輕易地去探測這些頻率。在微波的頻譜分析上 (microwave spectroscopy)，超精細分裂的躍遷頻率給出極細的譜線，譜線的線寬 (linewidth) 以及訊噪比 (signal to noise ratio) 決定了每次量測頻率的精準度，線寬愈窄，訊噪比愈高給出愈精準的量測並成就更精準的計時。隨著技術的進步，微波原子鐘的不準確度從早期的10^-10 一直進展到今天小於10^-15 的銫原子鐘。

在光頻原子鐘 (optical clock) 發明以前，銫原子鐘 (caesium clock or cesium atomic clock) 給出了最好的長期 (long term) 精準度，所以在1967年國際標準單位定義一秒等於在不受干擾下的銫原子超精細分裂的微波輻射的 9192631770個週期。實務上銫原子鐘用銫原子的超精細分裂譜線去校正一個高同調的微波源，當微波源對準了譜線頻率，微波的電磁場振盪了9192631770所需的時間就等於一秒。不過線寬跟訊噪比使得微波源永遠沒法真正的對準譜線的中心位置，所以就有了計時的不確定性。2000年後由於光頻梳 (optical comb) 以及超窄線寬的雷射光源的技術被發展出來，使得原子鐘可以使用光學波段的躍遷頻率。由於光頻原子鐘所使用的頻率是微波原子鐘的1萬倍到10萬倍，理論上在相同的線寬跟訊噪比條件下計時的精確度將提高同樣的倍數。經過十年左右的努力，近幾年光頻原子鐘終於展現小於銫原子鐘的不準確度。

精密計時在今日已成為基本且重要的技術，除了應用在基礎科學研究，高速數位通訊，遙測技術，以及日常生活中廣泛依賴的全球衛星定位系統 (Global Positioning System) 都是使用到原子鐘的科技。高精度的光晶格光頻原子鐘更可做為觀察在被重力彎曲的廣義相對論的時間空間的新的測量工具，因為在地表上一公分的高度差便產生１×10^-18時間快慢差異。因為光頻原子鐘的準確度比微波銫原子鐘要高且其對於重力空間有極高的敏感度，人們開始思考是否要改變長期以來用銫原子定義時間的方法，然而目前沒有辦法決定哪那原子系統的光頻鐘有絕對的優勢來定義「秒」。

另一方面﹐利用光晶格鐘回答所謂「基礎物理常數真的是常數嗎？」的基礎物理學問題的研究也在進行當中。原子鐘和現代物理學的理論是建立在假設「基礎物理常數為常數」的基礎上。例如﹐精細結構常數（a, Fine-structure constant﹐以基本電荷、普朗克常數、光速的物理量定義的無因次量）為決定原子光譜的基礎物理常數之1﹐若此常數為定值﹐那保證不管用哪種原子做時鐘都會是同樣的時間。香取秀俊的究團隊除了鍶原子﹐也在進行研發汞原子﹑鐿原子等﹐使用不同種原子的光晶格鐘。若能經過不同種原子的光晶格鐘的高精確度比較﹐發現時間偏差﹐就有顛覆現在物理學裡心照不宣的假設的可能性。

精密計時技術演進史。 橫軸為西元年﹐ 縱軸為誤差。原子鐘由上至下為第一代銫原子鐘 NBS-1﹑銫原子鐘 NIST-F1 和 光晶格鐘。1 second per 10 billion year 約為 3×10-18 （圖片來源：http://phys.org/news/2014-02-era-atomic-clocks.html）

參考資料

• 科学技術振興機構（ＪＳＴ）２月１０日新聞稿 “次世代時間標準「光格子時計」の高精度化に成功”

• “Cryogenic optical lattice clocks” Nature Photonics 9, 185–189 (2015)　http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n3/full/nphoton.2015.5.html

• “NIST Launches a New U.S. Time Standard: NIST-F2 Atomic Clock“　http://www.nist.gov/pml/div688/nist-f2-atomic-clock-040314.cfm