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諾曼·F·拉姆齊可能不是家喻戶曉的名字，但他卻是 20 世紀實驗物理學的巨匠。他的基礎科學工作為他贏得了 1989 年諾貝爾物理學獎，併為數百萬人口目前使用的技術奠定了基礎。他於上週五去世，享年 96 歲。
在探索原子和分子如何在磁場中吸收和發射光的過程中，拉姆齊為核磁共振研究鋪平了道路，核磁共振是 MRI 機器的基礎。他的研究也導致了原子鐘的發展。在他於《大眾科學》上發表的 1993 年 7 月的文章中（我有幸編輯過），拉姆齊和合著者韋恩·伊塔諾討論了對更高精度計時的需求
很少有人抱怨現代時鐘的精度，即使它們似乎比我們當中匆忙的人希望的執行得更快。普通且廉價的石英晶體手錶每週會損失或獲得大約一秒鐘的時間，對於日常生活來說綽綽有餘。即使是彈簧發條手錶也能讓我們按時到達教堂。更嚴格的應用，例如與星際飛船的通訊或從衛星跟蹤船舶和飛機，依賴於原子鐘，原子鐘在一百萬年內損失的時間不超過一秒鐘。似乎沒有太多改進時鐘的空間，甚至不需要更精確的時鐘。然而，科學和技術中的許多應用都需要最好的時鐘所能提供的所有精度，有時甚至需要更多。例如，一些脈衝星（以週期性爆發的形式發射電磁輻射的恆星）在某些方面可能比當前的鐘表更穩定。這些物體可能無法被準確地計時。對相對論和其他基本概念的細緻測試可能需要更精確的鐘表。這樣的鐘表可能會出現。依賴於原子和離子捕獲和冷卻的新技術為人們提供了充分的理由，相信時鐘的精度可以比現有精度高 1000 倍。如果歷史可以作為參考，那麼這些未來的時鐘可能會表明，人們認為恆定和不可變的物質在更精細的尺度上可能是動態和變化的。例如，過去的日晷、水鍾和擺鐘足以將一天劃分為小時、分鐘和秒，但它們無法檢測到地球自轉和公轉的變化。
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原子鐘的一個關鍵應用是在全球定位系統中，它依賴於衛星之間精確的計時和頻率訊號，以便它們知道自己的位置，從而告訴您您的位置。
拉姆齊可能最出名的是氫原子微波激射器的發明，他在文章中描述了這種時鐘（並以這種方式進行了說明）
在這種儀器中，射頻放電首先將高壓瓶中儲存的氫分子分解為其組成原子。原子從瓶子上的一個小開口中出現，形成光束。處於較高能級的原子被磁場聚焦，並進入一個由調諧諧振腔包圍的特殊塗層儲存球泡中。在球泡中，其中一些原子將降至較低的能級，釋放出微波頻率的光子。這些光子會刺激其他原子降至較低的能級，從而釋放出額外的微波光子。透過這種方式，自持微波場在球泡中建立起來——因此得名“微波激射器”。球泡周圍的調諧諧振腔有助於將光子重新定向回系統，以維持受激發射過程。
只要氫氣被送入系統，微波激射器振盪就會持續存在。腔體中的一個線圈可以檢測振盪。微波場線上圈中感應出電流，電流從腔體流向一系列電路。這些電路將感應電流轉換為適合生成定時脈衝的較低頻率訊號。
題為“精確的時間測量”的整篇文章回顧了其他型別的原子鐘及其優缺點。
您可以在國家地理新聞觀察頁上閱讀科學家兼作家布倫特·阿塔萊的個人回憶。
諾曼·拉姆齊的圖片來自 他的諾貝爾獎公告。