中国物理学家叶军：制成世界最精确的原子钟（图）
2007年08月29日 11:31 来源：科学时报
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叶俊是美国科罗拉多大学物理学教授，也是美国国家标准与技术研究所（NIST）和科罗拉多大学合资成立的实验天体物理实验室（JILA）研究员。2006-2007年，他带领的研究团队建成了目前世界上最精确的锶原子光钟，每7000万年误差仅为1秒，其精度超过了目前美国国家标准与技术研究所储存的铯原子钟留学之路，有望取代铯原子钟成为世界新的计时标准。
6月21日，在德国慕尼黑举行的2007年度国际应用激光与光子学贸易博览会上，叶俊被德国科学促进会恩斯特·阿贝基金会授予2007年度卡尔蔡司研究奖和2.5万欧元的奖金，以表彰他在飞秒激光器和频率梳实验研究中取得的杰出成就。卡尔蔡司研究奖的新闻稿写道：“叶俊今年才40岁，但他已被国际同行公认为光学领域的伟大人物之一。”
卡尔蔡司研究奖是光学界最负盛名的奖项之一。前不久，叶军因“在稳定和测量光频率、控制飞秒激光脉冲和测量分子瞬变方面对提高精密测量的贡献”，被美国物理学会授予2007年度拉比奖和7500美元奖金。该奖项以1944年诺贝尔物理学奖得主伊西多·伊萨克·拉比的名字命名，由拉比家族于1989年设立，每两年颁发一人，以表彰和鼓励获得博士学位后约10年在原子、分子和光学物理领域取得杰出成就的科研人员。2001年诺贝尔奖得主埃里克·康奈尔和沃尔夫冈·凯特勒此前都曾获得拉比奖。
“2005年，叶俊的博士生导师约翰·霍尔和德国马克斯·普朗克量子光学研究所所长西奥多·汉施共同获得了诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院把这一最崇高的科学桂冠授予了基于激光的精确光谱测量方法的发明。”卡尔蔡司公司网站称：“如今，叶俊在诺贝尔奖获得者的工作基础上，研制出了一种频率更加稳定的激光器，以及基于此的测量方法，向世界物理学的巅峰迈出了一大步。”
站在巨人的肩膀上
叶俊，1967年11月出生于上海。1989年获上海交通大学应用物理学学士学位，1991年获美国新墨西哥大学物理学硕士学位，1997年获美国科罗拉多大学物理学博士学位，博士生导师为约翰·霍尔。1997年至1999年在美国加州理工学院从事博士后研究。
成为一名医生，是叶俊科研生涯中的重要一步。“回头想想，我比较清晰的物理思路，就是在读博士期间形成的。”叶俊在接受《科学时报》采访时曾说，自己读博士期间最大的收获，就是“做了实际工作”。
在叶军看来原子物理学的物理学家，霍尔是一位非常优秀的实验物理学家，他的伟大之处在于让你相信，凭借自己的双手，你可以做得比别人更好，他常说“他们可以做到，但我能做得更好”。
“我从他身上学到的最好的品质之一就是做事严谨，要思考别人为什么会这样去做。我们能不能找到新的方法，把事情做得更好？”叶军说。
1999年8月，叶培建回到JILA，成立了自己的实验室。虽然他独立进行研究，但与约翰·霍尔博士合作密切。几年前霍尔退休后，叶培建接管了他的实验室。他在霍尔获得诺贝尔奖的成果——解决光梳技术的最关键实验中发挥了极其重要的作用。
所谓“光梳”，是指一系列频率分布均匀的光谱，就像梳子上的齿或尺子上的刻度，可用来测量未知光谱的特定频率。1978年原子物理学的物理学家，汉斯首次提出光梳的概念。20世纪末，汉斯、霍尔、叶俊等研究人员对光梳技术进行了有效改进，测量精度达到小数点后15位。
叶军想更上一层楼。他和博士生、博士后们有一个共同的目标：做出世界上最好的原子钟。2006年12月1日，《科学》杂志发表了他所在研究小组的最新突破：“1秒时间尺度上的轻原子共振”。美国《新科学家》杂志预测，（叶军的）锶原子钟将取代NIST现有的铯原子钟，成为世界新的黄金时间标准。
卡尔蔡司研究奖网站对叶俊的锶原子钟的评价是：“从精确度和稳定性来看，他的测量装置是目前世界上用于测量光学跃迁的最先进的锶原子钟之一。专家预测，这种钟的计时精度将超过目前存放在美国国家标准与技术研究所的铯原子钟……其精确度相当于7000万年误差一秒。”
站在巨人的肩膀上，叶俊有更大的梦想：“我在加州理工学院做博士后的时候，受到不同风格的影响，受益匪浅。我的博士后导师Jeff 教授强调新思想和创造性思维。Hall是伟大的实验主义者，是伟大的思想家。我希望自己能学习到这两位导师最优秀的品质。这是每个人都能拥有的梦想！”
时间的故事
“我的这一分钟是经过了无数亿万分钟之后才来到的。世界上没有什么比这一分钟、这一刻更美好了。”
如果把诗中的“这一分钟”换成“这一秒”，那么诗人惠特曼的这句话，似乎很能形容叶俊今天的心情，因为他制造了迄今为止世界上最好的钟。
在时间的长河中，1秒不过是钟表简单的一个“滴答”声。但对于物理学家来说，这个“滴答”声的定义和测量却历经千辛万苦：1960年以前，世界度量衡大会根据地球自转，将秒定义为平均太阳日的1/86400，即1秒为1分的1/60，1分为1小时的1/60，1小时为1天的1/24，所以1秒等于1天的1/86400。但由于地球自转的速度和与太阳的距离都在变化，从一个中午到下一个中午的时间并不总是相同的。
1960年至1967年间，世界度量衡会议改变了地球公转的基准，将1900年定义为平太阳年，并将秒的定义改为“太阳年的1/9747”。
1967年召开的第13届国际计量大会上，秒的定义进入原子时代：1秒被定义为铯原子电子本征的微小振荡频率，并一直沿用至今。根据量子原理，同一原子的电子在不同能态间跃迁时所释放的电磁波是恒定的，因此可以以这个频率作为时间间隔的精确依据。
计时的精确度也在不断提高。1350年，德国出现了第一只机械闹钟。1583年，伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关，这是钟表史上的一大进步。1656年，荷兰天文学家、数学家惠更斯提出单摆原理，制成第一只自摆钟，从此钟表的误差可以计算到秒级。到1762年，最好的机械表已能达到每3天误差仅1秒的精度，但在航空、航海和物理研究等领域，仍然需要更精确的计时。
1945年，纽约哥伦比亚大学物理学家拉比提出利用原子束磁共振技术制作原子钟的设想。1948年，NIST利用氨分子作为磁共振源制成了世界上第一台原子钟。1952年，NIST制成了第一台铯原子钟，并命名为NBS-1（以当时的美国国家标准局命名，简称NBS）。这一命名方式一直延续到1975年的NBS-6。目前NIST保存的铯原子钟为NIST-F1，精度为3000万年一秒。
有没有比这更精确的时钟？物理学家们一直在寻找。锶原子的能级跃迁速度比铯原子快1000倍。从理论上讲，锶原子钟比铯原子钟更精确。然而，锶原子钟的生产落后于铯原子钟，因为在如此快的频率下测量“滴答”声非常困难。
叶军做到了。为了制作出更精确的锶原子钟，他的团队用激光束制作出一个电磁波晶格，将锶原子困在这个晶格中，再将另一束探测激光束照射到晶格上，调整这束激光束的频率，直到与锶原子电子的振荡频率相匹配。这种激光共振可以被测量，为时间测量提供了新的基准。
利用同样的原理，日本科学家在2005年制造出了锶原子钟，但这台钟的测量误差为27Hz。叶俊研究组构建了更加稳定的激光晶格，可以使光学晶格更加坚固，从而避免锶原子因运动而干扰信号。他们最新的成果于2007年3月发表在《物理评论快报》上，频率不确定度降低到0.4Hz，测量误差降低到1.1Hz。
“把小数点往后移一位，你就会发现新的真理”
过去卡尔蔡司研究奖颁发给具有强大应用前景的研究项目，例如眼部光动力疗法或蓝光二极管的发明，但2007年的获奖成果纯粹是基础研究。
“叶俊的工作目前还没有工业应用的概念。但我们对他在诺贝尔奖得主工作基础上拓展的速度和实验技术深深着迷，并将这一成果应用到了相关研究领域。”卡尔蔡司研究与技术高级副总裁在解释评审委员会的决定时表示。
为什么需要这样高精度的时钟？它对人类日常生活有什么影响？“这在长距离遥控导航中尤其重要，计时越准确，目标位置就越准确。”例如，锶原子钟可用来制造更好的全球卫星定位系统（GPS），为30多年前发射的旅行者1号提供指导。
精确计时还可以用来重新测量宇宙学常数。2006年，在评价叶军的超精确测量实验时指出：“这将有助于科学家检验自然界的精细结构常数从宇宙形成初期到现在的130亿年里是否发生了变化。”“由于精细结构在物理学的很多领域中经常使用，因此测量它是检验现有物理理论是否一致的一种方法。”
叶俊说：“我相信美国物理学界广为流传的一句话：把小数点往后移一位，你就会发现一个新的真理。把小数点往后移一位，意味着物理实验的精度提高了10倍。这时我们经常会看到微观世界的一些现象不是以前的定理可以描述的，需要修正。这就鼓励科学家想出新的物理方法、新的实验方法，去寻找如何把小数点往后移一位。”
基本物理常数真的在改变吗？
叶俊说：“大爆炸理论认为宇宙开始于一个无穷小的奇点，突然爆炸产生了今天的世界。变化太大了，那时候的常数可能和现在的常数不一样。但高能物理想把爱因斯坦的相对论引力场和量子力学结合起来，产生一个标准模型。每个人做出的修正都不一样，修正过程中用到的理论和常数也不一样。但怎么检验理论是否正确呢？其中之一就是用基本常数来测量。如果真的能测量出这些微小变化的量，就会影响我们整个宇宙的理论，这是很基础的！”
时间测量的精度还能再提高多少呢？叶俊相信，他的实验室可以进一步提高光晶格阱的稳定性。他希望自己制造的时钟的精度能比NIST目前的铯原子钟高100倍。
“我想做大自然允许人类做的最精确的测量；我希望探索那些受海森堡不确定性原理限制的东西，而不是人造的东西；我希望我们做的每一个实验都能达到大自然最基本的极限。我们还没有做到这一点，我们还有很长的路要走。但这是一件好事。”叶俊说。
叶俊的资料：
教育：
1989年获上海交通大学应用物理学学士学位；
1991年，获得新墨西哥大学物理学硕士学位；
1997年，他获得科罗拉多大学物理学博士学位。
经验：
1997-1999年：加州理工学院博士后研究；
1999年至2004年：美国国家标准与技术研究所物理学家；
1999-至今：科罗拉多大学物理系助理教授、副教授、教授；
1999-至今：美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室（JILA）助理研究员、研究员；
2004年至今：美国国家标准与技术研究所（NIST）研究员。
所获荣誉：
2007 年卡尔蔡司研究奖
2007年美国物理学会拉比奖
2006年美国光学学会 Meigs奖（F.）
2006 年美国国家标准与技术研究院奖
2006年德国洪堡基金会弗里德里希·威廉·贝塞尔研究奖
2006年，美国光学学会会士
2005年技术发明一等奖
2005年，美国物理学会会士
2005年，美国联邦政府颁发了亚瑟·弗莱明奖。
2003 年总统科学与工程早期职业奖
2002年，他被美国《科技评论》杂志评选为百位顶尖青年创新者之一。
2001年美国商务部金奖（团队）
1999 年美国光学学会阿道夫·隆奖章
（王丹红）