正文 第16章 人類的“量天尺”——各種儀器(3)(2 / 2)

銫原子鍾又被人們形象地稱作“噴泉鍾”,因為銫原子鍾的工作過程是銫原子像噴泉一樣的“升降”。這一運動使得頻率的計算更加精確。

其二,全光學原子鍾。

一項研究結果表明,美國的科學家已經將先進的激光技術和單一的汞原子相結合,從而研製出了世界上最精確的時鍾。位於美國科羅拉多州博爾德城的美國國家標準與技術研究所的科學家,研製出了這種新型的以高頻不可見光波和非微波輻射為基礎的原子鍾。由於這種時鍾的研製主要是依靠激光技術,因而它被命名為“全光學原子鍾”。

我們知道原子時鍾的“滴答”來自於原子的轉變。在當前的原子鍾中,銫原子是在微波頻率範圍內轉變的,而光學轉變發生在比微波轉變高得多的頻率範圍,因此它能夠提供一個更精細的時間尺度,也就可以更精確地計時。這種新研製出來的全光學原子鍾的指針在1秒鍾內走動時發出的“滴答”聲為1000的5次冪(在1後加15個零所得的數),是現在最高級的時鍾—微波銫原子鍾的10萬倍。所以,用它來測量時間將精確得多。

要製造出這種原子鍾,需要有能夠捕捉相應離子並將捕捉到的離子足夠靜止來保證準確的讀取數據的技術,同時要能保證在如此高的頻率下來準確地計算“滴答”的次數。這種時鍾的質量依賴於它的穩定性和準確性,也就是說,這個時鍾要提供一個持續不變的輸出頻率,並使它的測量頻率與原子的共振頻率相一致。

這一研究的領導者—美國物理學家斯科特·迪達姆斯說:“我們首次展示了這種新一代原子鍾的原理,這種時鍾可能比目前的微波銫原子鍾精確100~1000倍。”它可以計算有史以來最短的時間間隔。科學家們預言這種時鍾可以提高航空技術、通信技術,如移動電話和光纖通信技術等的應用水平。同時,這種時鍾也可用於調節衛星的精確軌道、外層空間的航空和連接太空船等。

11.水鍾

水鍾,在中國又叫做“刻漏”、“漏壺”。根據等時性原理,滴水記時有兩種方法:一種是利用特殊容器記錄把水漏完的時間(泄水型);另一種是底部不開口的容器,記錄它用多少時間把水裝滿(受水型)。中國的水鍾,最先是泄水型,後來是泄水型與受水型同時並用或兩者合一。自公元85年左右,浮子上裝有漏箭的受水型漏壺逐漸流行,甚至到處使用。

水鍾是整個古代世界報時的標準方式,它於公元前6世紀傳入中國。水鍾曾在雅典等城市成為一道常見的景觀,如今在這些城市中已發現公元前35年左右建造的“城鍾”的遺跡。這種鍾的運行由一塊浮標控製,當水從底部的一個小出口慢慢流出時,浮標也一點點地下沉。浮標大概與一根圓杆相連接。圓杆在下沉時使指示柄隨之移動。通向水井的台階的磨損程度表明,每天都要給蓄水池倒滿水。

希臘世界也擁有較為精致的水鍾。亞曆山大城的發明家克特西比烏斯,於公元前270年左右,製造的水鍾即為一例。這台水鍾的水流,由多個活塞進行精確控製,能驅動從響鈴和活動木偶到鳴禽等各種自動裝置—這或許就是最早的布穀鍾。雅典的“風之塔”是天文學家安德羅尼卡於公元前1世紀初所建,頂部有多座日身,內部有一隻複雜的水鍾,時間在刻度盤上顯示,圍繞刻度盤轉動的圓盤可顯示恒星運行和一年中太陽在各星座間運行的軌跡。

後來,伊斯蘭世界製造了華麗的水鍾。哈裏發哈倫·賴世德曾派使臣由巴格達啟程,將一台特別精致的水鍾送往神聖羅馬帝國開國皇帝查理大帝(公元742~814年)的宮廷。11世紀,阿拉伯的工程師在西班牙的托萊多建造了一對大水鍾,鍾上有兩個容器,月滿時,水慢慢注滿;月缺時,水慢慢排幹。這些水鍾結構精巧,曆經百年而無須校正。

西歐人一直宣稱,時鍾製造業的第二次飛躍—機械鍾的發明是由他們完成的。然而,在這些早期歐洲時鍾問世數百年之前,聰明的中國古人,就已經發明了機械鍾。我國古人發明機械鍾,是為了滿足精確記錄諸多皇位繼承人出生時刻的需要,這樣,禦用占星家們就能夠確定天象對他們的影響,從中挑選最佳者繼承皇位。中國人在幾個世紀內,開發了更為精確的水鍾,其中包括一種不用水而使用水銀的停表,但這些水鍾仍然不能滿足占星家們的特殊需要。