原子钟与拉姆齐_1989年诺贝尔奖金物理学奖获奖工作介绍.pdf

原 子 钟 与 拉 姆 齐— 年 诺 贝 尔 奖 金 物 理 学 奖 获 奖 工 作 介 绍邓 金 泉中 国 科 学 院 武 汉 物 理 研 究 所本 文 简 要 介 绍 了 , , 年 诺 贝 尔 奖 金 物 理 学 奖 获 得 者 之 一 诺 曼 · 拉 姆 齐 “ “ · 的 生平 及 其 对 原 子 钟 的 发 展 所 作 出 的 杰 出 贡 献时 间 标 准 是 人 类 探 测 和 研 究 物 质 运 动 和 变化 的 标 尺 计 时 因 人 类 的 需 要 而 创 立 , 计 时 方法 和 计 时 标 准 的 准 确 与 稳 定 , 亦 随 人 类 的 进 步而 不 断 地 改 进 和 提 高 从 古 代 的 日 唇 、 刻 漏 , 发展 到 近 代 的 机 械 摆 钟 , 直 到 现 代 的 石 英 钟 和 原子 钟 , 无 不 留 下 了 开 拓 者 的 光 辉 足 迹近 三 十 年 来 , 随 着 量 子 物 理 学 、 微 波 波 谱 学和 无 线 电 电 子 学 的 深 人 发 展 , 对 微 观 物 质 与 电滋 场 的 相 互 作 用 , 对 物 质 的 微 观 量 子 态 和 它 的跃 迁 , 都 进 行 了 深 人 系 统 的 研 究 实 验 证 明 , 微观 量 子 态 的 跃 迁 伴 随 产 生 稳 定 不 变 的 周 期 性 的信 号 , 从 而 找 到 一 种 新 的 作 为 时 间 或 频 率 计 量的 标 准 , 即 以 物 质 微 观 运 动 的 量 子 跃 迁 作 为 时间 频 率 标 准 — 原 子 钟原 子 钟 , 这 个 当 今 世 界 上 最 准 确 的 钟 艳钟 和 最 稳 定 的 钟 氢 钟 , 都 包 含 了 年 诺贝 尔 奖 金 物 理 学 奖 获 得 者 之 一 诺 曼 · 拉 姆 齐 的杰 出 贡 献拉 姆 齐 年 月 日 出 生 在 美 国 首 都华 盛 顿 中 学 毕 业 后 , 进 人 哥 伦 比 亚 大 学 学 习物 理 学 , 获 得 学 士 及 硕 士 学 位 在 英 国 剑 桥 大 学工 作 两 年 后 , 于 年 夏 回 到 哥 伦 比 亚 大 学 ,在 著 名 分 子 束 专 家 拉 比 教 授 指 导下 攻 读 博 士 学 位 有 趣 的 是 拉 姆 齐 受 到 导 师 的第 一 个 忠 告 是 “ 分 子 束 方 面 没 有 多 少 前 途 ” 〔 ,然 而 出 乎 预 料 , 仅 几 个 月 后 拉 比 教 授 发 明 了 分子 束 磁 共 振 方 法 , 导 致 了 许 多 重 大 发 现 , 如 核 四极 矩 、 位 移 等 , 并 因 此 而 荣 获 年 诺贝 尔 奖 金 物 理 学 奖 , 拉 姆 齐 也 因 利 用 分 子 束 研究 分 子 的 旋 转 磁 矩 于 钧 年 取 得 博 士 学 位 在物 理以 后 的 研 究 工 作 中 , 他 利 用 分 离 振 荡 场 的 思 想发 展 了 他 导 师 的 方 法 , 这 一 思 想 立 即 导 致 了 艳原 子 钟 的 发 明 , 并 在 许 多 其 它 领 域 得 到 成 功 的应 用 〔 , 使 他 获 得 了 科 学 上 最 高 荣 誉一 、 分 离 振 荡 场 方 法拉 比 的 原 子 束 磁 共 振 方 法 是 斯 特 恩 和 盖 拉赫 进 行 的 早 期 原 子 束 实 验 的 推 广 实 验 装 置 是由 原 子 束 和 一 个 短 的 谐 振 腔 组 成 原 子 线 宽 取决 于 原 子 渡 越 谐 振 腔 的 时 间 对 于 速 度 一 定 的原 子 , 谱 线 宽 度 与 振 荡 场 区 的 长 度 成 反 比 , 似 乎可 以 用 增 加 腔 长 的 办 法 来 减 小 线 宽 , 但 振 荡 场区 要 求 保 持 均 匀 的 静 磁 场 , 因 而 加 长 振 荡 场 的结 果 不 尽 人 意 振 荡 场 区 加 长 还 遇 到 新 的 问 题原 子 束 的 强 度 大 减 , 长 的 振 荡 场 区 内 会 因 静 磁场 均 匀 性 降 低 而 产 生 其 他 增 宽 , 所 以 加 大 振 荡场 区 长 度 , 谱 线 反 而 增 宽这 时 的 拉 姆 齐 已 是 哈 佛 大 学 的 物 理 教 授 ,他 也 在 对 这 个 问 题 进 行 各 种 探 讨 正 当 他 冥 思苦 想 之 际 , 迈 克 耳 孙 的 测 星 干 涉 仪 的 设 计 思 想使 他 受 到 启 发 【 , 迈 克 耳 孙 的 测 星 干 涉 仪 是 本世 纪 初 杰 出 的 工 作 之 一 他 把 英 寸 天 文 望远 镜 加 上 两 面 相 距 的 反 射 镜 , 利 用 两 反 射镜 的 光 束 互 相 干 涉 , 把 望 远 镜 的 角 分 辨 率 提 高了 几 十 倍 拉 姆 齐 经 过 计 算 , 可 以 用 类 似 的 办法 来 改 造 原 子 束 的 振 荡 场 年 , 拉 姆 齐 建议 采 用 两 个 在 空 间 上 分 离 的 短 谐 振 腔 系 统 , 以增 加 原 子 与 场 的 相 互 作 用 时 间 〔 们 , 使 得 谱 线 比同 样 长 的 单 腔 要 窄 , 而 又 能 减 小 静 磁 场 不 均 匀性 的 影 响 采 用 这 种 双 腔 结 构 观 测 到 的 共 振 线宽 比 单 腔 结 构 观 测 到 的 要 窄 拓 , 分 离 振 荡 场系 统 的 结 构 如 图 所 示 , 其 共 振 线 形 如 图 所示 。

共 振 线 形 具 有 双 狭 缝 衍 射 图 样 的 形 状 , 图样 中 的 中 心 频 率 田 二 对 应 两 个 腔 中原 子 的 平 均 进 动 频 率 , 共 振 的 窄 中 心 峰 的 宽 度由 两 腔 间 距 离 决 定 , 而 总 线 形 的 宽 度 只 由 一个 射 频 场 区 域 中 渡 过 的 时 间 △ , 决 定 么 ‘ △叫 卜 — 一 一 一 州 卜 一原 子 束齐 谐 振 花 样 的 中 心 峰 线 宽 仅 为 , 所 以 共振 线 的 值 , 是 很 高 的 此 外 , 因 为 典 型的 信 噪 比 为 叭 共 振 的 中 心 可 以 定 位 到 其 宽 度的 很 小 部 分 , 精 度 可 以 比 只 由 值 表 示 的 高 得多 这 样 导 致 了 第 一 台 艳 束 原 子 钟 问 世年 月 , 在 印 度 新 德 里 召 开 的 第 十 三 届 国 际 计量 大 会 , 正 式 把 艳 原 子 跃 迁 振 荡 , , ,” 次 所 经 历 的 时 间 定 义 为 “ 秒 ” , 从 而 揭 开了 原 子 时 的 新 纪 元 目 前 , 艳 束 频 标 的 准 确 度已 高 达 『 “ , 是 当 今 准 确 度 最 高 、 为 世 界各 国 公 认 的 一 级 频 率 标 准徽 波 愉 入图 ‘ ‘ 。

分 离 振 荡 场 系 统 的 结 构公 护 粉确 口,,护,口、 户 △ ,,,,,, 夕 △内通 ︸,︵ 乙 廷飞戍哥喊旧当“ 一 “ ‘ ‘ 对 于 离 共 振 、 、一 ‘ 、 、 、 、一 一, 一 “ 乙 合 夕 对 于 近 共 振图 分 离 振 荡 场 中 原 子 跃 迁 几 率 与 频 串 的 关 系头 线 是 以 近 共 振 计 算 的 , 虚 线 是 以 离 共 振 计 算 的点 线 是 两 者 间 的 外 推二 、 艳 钟拉 姆 齐 的 思 想 立 即 使 艳 原 子 钟 获 得 成 功 的希 望 年 , 也 是 拉 姆 齐 提 出 分 离 振 荡 场 的同 一 年 , 美 国 国 家 标 准 局 就 已 开 始 利 用 艳 研 制原 子 束 频 率 标 准 , 年 成 功 地 观 测 到, , ‘ , , 的 微 波 跃 迁不 久 之 后 , 这 个 装 置 利 用 了 拉 姆 齐 的 分 离 振 荡场 技 术 间 距 , , 在 观 测 到 拉 姆三 、 氢 钟拉 姆 齐 对 研 制 原 子 钟 的 另 一 贡 献 是 提 出 并建 造 了 氢 原 子 激 射 器 年 , 以 及苏 联 学 者 和 各 自 独 立 地 指 出了 氨 分 子 受 激 发 射 放 大 机 制 , 并 制 成 了 振 荡 器氨 分 子 受 激 辐 射 振 荡 器 所 产 生 的 频 率 稳 定 度 和频 谱 纯 度 , 远 远 超 过 了 一 般 无 线 电 信 号 发 生 器因 此 , 从 一 开 始 , 它 就 用 作 时 间 频 率 标 准 一段 时 间 , “ 分 子 钟 ” 成 了 时 间 频 率 计 量 领 域 的 “ 宠儿 ” 夕 。

年 , 拉 姆 齐 和 他 的 同 事 研 制 成 功 第一 台 氢 原 子 激 射 振 荡 器 , 由 于 它 具 有 比 氨 分 子钟 更 为 优 越 的 性 能 , 所 以 引 起 科 学 家 们 极 大 的兴 趣 , 后 来 甚 至 使 以 艳 跃 迁 频 率 来 定 义 秒 推 迟了 几 年 经 过 近 年 的 不 断 改 进 , 目 前 氢 钟 最高 的 稳 定 度 优 于 一 ,在 氨 分 子 振 荡 器 中 , 沿 用 了 束 型 波 谱 仪 的技 术 , 即 分 子 束 在 穿 过 微 波 谐 振 腔 期 间 和 射 频场 发 生 相 互 作 用 , 并 产 生 受 激 辐 射 能 量 以 维 持自 持 振 荡 当 把 这 种 方 法 应 用 于 氢 原 子 束 时 就遇 到 困 难 了 , 这 是 因 为 氢 原 子 基 态 超 精 细 能 级跃 迁 属 于 磁 偶 极 跃 迁 , 它 的 跃 迁 几 率 比 氨 分 子的 电 偶 极 跃 迁 几 率 要 小 四 个 数 量 级 , 因 此 , 在 相互 作 用 的 时 间 内 , 受 激 辐 射 能 量 太 小 , 除 非 以 同样 的 倍 数 增 加 束 强 , 否 则 就 难 以 产 生 振 荡 其次 , 氢 原 子 很 轻 , 速 率 高 , 通 过 谐 振 腔 的 时 间 太短 , 这 进 一 步 减 小 了 受 激 辐 射 能 量 , 并 使 共 振 谱线 增 宽 所 以 原 子 束 共 振 的 方 法 对 实 现 氢 原 子激 射 振 荡 是 不 适 宜 的 为 了 克 服 上 述 困 难 , 拉, 斗 , 卷 , 期姆 齐 和 他 的 同 事 们 采 用 了 贮 存 泡 技 术 知 贮 存泡 的 作 用 是 , 一 方 面 使 处 在 上 能 级 的 原 子 能 长时 间 地 逗 留 在 谐 振 腔 内 , 与 辐 射 场 相 互 作 用 , 从而 缩 小 了 线 宽 另 一 方 面 , 在 饱 和 效 应 较 弱 时 ,谱 线 峰 值 频 率 上 的 发 射 功 率 随 相 互 作 用 时 间的 平 方 而 增 加 , 所 以 贮 存 泡 又 有 利 于 增 加 受 激发 射 能 量 当 然 , 这 两 者 是 有 联 系 的 贮 存 泡技 术 实 际 上 是 一 种 时 间 域 上 的 分 离 振 荡 场 方法 具 有 贮 存 泡 的 谐 振 腔 如 图 所 示微 波 输 出激 射 器 小 倍 , 使 氢 激 射 器 朝 着 新 的 频 率 基 准迈 进 了 一 步拉 姆 齐 的 实 验 工 作 包 括 从 原 子 、 分 子 束 到拉 子 物 理 他 专 心 从 事 分 子 、 原 子 、 原 子 核 及 核子 电 磁 特 性 的 精 密 测 量 , 在 弱 作 用 中 宇 称 不 守恒 被 预 言 以 前 , 就 首 先 从 实 验 上 进 行 了 强 作 用中 宇 称 是 否 守 恒 的 研 究 到 目 前 为 止 , 他 已 发表 论 文 及 专 著 篇 , 其 中 不 少 是 开 拓 。