2021年5月22日上午10：00，“科学连线之跨时空对谈---与国际知名科学家对话系列”第19期如期举办。主讲嘉宾大卫·维因兰德教授因提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成为可能，和法国物理学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）共同获得了2012年诺贝尔物理学奖。特邀嘉宾为中国计量院首席研究员李天初院士，对谈嘉宾为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院高克林研究员，嘉宾主持为中国科学技术大学物理学院近代物理系林毅恒教授。
为什么需要精确的钟？
本次连线讨论的主题为“原子钟”，直播中，大卫·维因兰德教授首先介绍了我们为什么需要精确的钟？精确的钟最明显的应用是在导航上。传统的导航是通过确定纬度和经度来完成的。在纬度方面，人们通过星星来看位置就可以确定纬度，比如在北半球，观看北极星时的仰角等于当地的纬度。同时，我们也要测量经度，就是东西的位置。由于经度和时间有关系，时间的误差就会导致位置的误差。以地球自转为例，地球自转一周就是一天，我们在一天里面，假设它的误差是一秒，就会产生0.463千米的误差。
与在航海中运用六分仪来测量经纬度类似，现代的导航运用卫星来定位，通过地球端与卫星端有个同步的时钟，通过卫星端发射信号，通过了解发送与接收之间的时间差，然后再乘以光速，就可以得到卫星发送方与地球接收方之间的距离。这里也会产生时间测量产生的误差。假设地球与卫星之间的时间同步的精度能达到1纳秒，因为乘以光速的话非常大，对长度的误差会达到30厘米，假设一天中时间的误差是1纳秒的话，才能够达到30厘米这样的精度。
大卫·维因兰德教授现场连线
更精确的原子钟
随着技术的发展，研究人员发现原子吸收或释放能量时发出的电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。
根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的，当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的，在1967年，国际单位制就采用了铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间作为“秒”的定义。
大卫·维因兰德教授说，自己的整个学术生涯都离不开原子钟的研究。他在1965年就加入了哈佛大学诺尔曼·拉姆齐研究组，在当时主要研究氘原子微波激射器，关注氘原子的超精细能级频率，对长寿命（约1秒）的叠加态进行了精密的测量。
大卫·维因兰德教授现场连线
原子钟的发展
大卫·维因兰德教授在1981年对汞离子开始研究，他在美国国家标准与技术研究所，与吉姆·贝奎斯特教授等人将先进的激光技术和单一的汞离子相结合研制出了新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的“光学原子钟”。
而中国科学院精密测量科学与技术创新研究院高克林研究员领导的囚禁离子研究组，经过10年努力，突破了系列关键技术，成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”，成为世界上少数几个掌握此项技术的国家。
目前，离子和中性原子并列成为最好的原子钟体系。
大卫·维因兰德教授的个人成长经历
大卫·维因兰德教授还与大家分享了他的成长经历。从小父母支持他自由探索，父亲用简单游戏的方式鼓励他学习数学。他在校期间成绩优异，兴趣广泛，少年时期就对飞机、汽车等很感兴趣。16岁开始对（经典）力学感兴趣，高中与同学改装福特36汽车。他大学前两年在加州大学戴维斯分校的初级农业学院学习，后两年转到加州大学伯克利分校学习高等物理项目，研究生则在哈佛大学就读，博士后在华盛顿大学就读。
科学家们进行现场连线
演讲结束后，大卫·维因兰德教授与李天初院士、高克林研究员、林毅恒教授展开对话，共同探讨原子分子物理相关问题。李天初院士向大卫·维因兰德教授提问，现在光学原子钟越来越准确，但是会不会最终存在一个限制，影响原子钟的准确度？大卫·维因兰德教授认为，原子钟发展应该是没有尽头的，原子钟的精度可以进一步提升，同时还需考虑性价比问题。
李天初院士的第二个问题是，离子钟与原子钟相比较，有没有什么优点和缺点，秒的定义有没有可能进行修改？大卫·维因兰德教授认为，中性的原子钟比离子钟有更多的原子，精度在一定时间内可以累积得更快，但目前两者精确度的比较还没有一个绝对的赢家。而随着技术的进步，未来秒的定义也可能做出调整。
林毅恒教授提问大卫·维因兰德教授是怎么涉足精密测量和原子钟的领域的。大卫·维因兰德教授表示，自己本科阶段打算做粒子理论学家，后来在研究生阶段发现理论需要更聪明的人，他就转向了实验方向，而且小时候也有机械方面的兴趣爱好，有动手能力的训练。他也很喜欢精密测量，像侦探一样去探寻不确定性，以及想办法去解决。大卫·维因兰德教授平时也鼓励自己的学生去做自己感兴趣的事情，把科学研究当成兴趣爱好是很重要的。
有网友提问，原子钟对于一般人的日常生活有哪些应用？大卫·维因兰德教授回答，目前我们每天的生活可能并不需要这么精确的钟，但是它有一些很特殊的应用场景，包括对引力的测量，对地震预测的前瞻性的应用，未来可能会做出一些对我们有实际帮助的应用，其他更多是对基础的研究，对物理常数的测量、相对论的研究等等。另外，原子钟平时也已经应用在导航上。
云游波谱与原子分子物理国家重点实验室
云游实验室环节，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院波谱与原子分子物理国家重点实验室的科研人员们带领观众参观了实验室里的各种精密仪器、科研设备，并就目前科研人员的研究项目及近期研究成果与观众进行了分享。
波谱与原子分子物理重点实验室是由叶朝辉院士创立的。1985年就成为中国科学院首批对外开放的17个实验室之一。1986年经当时的国家计委批准作为国家重点实验室进行建设，1988年建成并通过国家验收。经过三十多年的发展，实验室已成为在国际上具有重要影响力的磁共振波谱学与原子分子物理学创新研究基地，实现了从基础研究到应用研究的完整创新链。
本期活动设有吉林、辽宁、南京、杭州低碳和湖北共五个科技馆分会场。直播现场观众们认真聆听，积极提问。中国科技馆网站、微博、百家号、知乎号、头条号，以及我们的太空新媒体中心、科普中国和新浪科技共8家流量媒体同时直播了本次活动，直播间反响热烈，观看人数超过43万。
直播间观众与嘉宾热烈互动
“科学连线”的再一次成功举办，充分说明了广大观众群体对科学知识的浓厚兴趣。中国数字科技馆此次跨时空的关于“原子钟”对话，将在广大观众朋友们心中种下科学探索的种子，也将进一步激发并培育观众的科学意识，为科技馆进一步、多方位开展科教活动提供宝贵经验。
本文来自：中国数字科技馆
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[责任编辑：刘兴飞]
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