原子钟

NISTF-1原子钟，它由170个元器件组成，其中包括透镜，反射镜和激光器。位于中部的管子高1.70米，铯原子在其中上下移动，发出极为规则的“信号”。

20世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。在拉比设想的时钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。1949年，拉比的学生拉姆齐提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖。

二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，但这个钟需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟，这种原子钟非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用。研制过程中，扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。

到了1967年，关于原子钟的研究如此富有成效，以至于人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。如今的原子钟极其精确，其误差为10万年内不大于1秒。历经数年的努力，三种原子钟――铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟（它们的基本原理相同，区别在于元素的使用及能量变化的观测手段），都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。迄今为止，在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟，GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。

2010年2月，由美国国家标准局研制的铝离子光钟已达到37亿年误差不超过1秒的惊人水平，成为世界上最准的原子钟。

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世界上最精准的“原子钟”，2000万年误差不超1秒，你知道原理吗

类型

铯原子钟

铯原子钟它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到2000万年才相差1秒。现在国际上，普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准，广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

氢原子钟

氢原子钟一种精密的计时器具。氢原子钟是在现代的许多科学实验室和生产部门广泛使用一种精密的时钟，它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度相当高，每天变化只有十亿分之一秒。氢原子钟亦是常用的时间频率标准，被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢原子钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。氢原子钟是种高精度的时间和频率标准，在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。

铷原子钟

是所有原子钟中最简便、最紧凑的一种。这种时钟使用一玻璃室的铷气，当周围的微波频率刚好合适时，就会按光学铷频率改变其光吸收率。

三种原子钟――铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟，都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止，在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟，GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。

此外，还可以通过使用激光束来防止铯原子前后高速移动，从而可以减少因多普勒效应而产生的轻微频率变化。^[2]

CPT原子钟

CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子钟，也是目前从原理上唯一可实现微型化的原子钟，其体积、功耗比目前体积、功耗最小的铷原子钟相比还要小得多。最小的CPT原子钟可为手表尺寸，并用纽扣电池供电。由于这些特点，CPT原子钟在远程通讯系统定时、大范围通讯网络同步、武器装备的便携化等军、民应用方面具有很好的应用前景。例如，CPT频标应用于GPS接收机，可以显著提高导航定位精度。欧美等西方国家已经把便携式和微型化CPT频标的研发作列入国家战略发展目标。美国已经有两种商品CPT频标上市。

原理

原子钟工作原理

每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。

铯133则被普遍地选用作原子钟。将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体振

荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。为了制造原子钟，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时，能量状态将会发生相应改变。在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。

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原子钟，怎么就成了“航母杀手”的眼睛？它到底是如何工作的?

工作过程

以下介绍的内容为常见的铯原子钟d额工作过程。原子钟

铯原子钟又被人们形象的称作“喷泉钟”，因为铯原子钟的工作过程是铯原子象喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。左图详细的描绘了铯原子钟工作的整个过程。这个过程可以分割为四个阶段：

第一阶段

由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用6束相互垂直的红外线激光（黄线）照射铯原子气，使之相互靠近而呈球状，同时激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。此时的铯原子气呈现圆球状气体云。

第二阶段

两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起，形成“喷泉”式的运动，然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高，穿过一个充满微波的微波腔，这时铯原子从微波中吸收了足够能量。

第三阶段

在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出来。同时微波部分地改变了铯原子的原子状态。

第四阶段

在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。

同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。整个过程被多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这一点定义了用来确定秒的铯原子的天然共振频率。上述过程将多次重复进行，而每一次微波腔中的频率都不相同。由此可以得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铯原子的天然共振频率，或确定秒长的频率。成为标准时间19世纪，海权强国英国把“东西经零度”放在伦敦的格林尼治村，同时规定格林尼治时间为世界标准时间。不过，格林尼治时间是以太阳经过格林尼治“本初子午线”的一刻为标准。但是，地球公转的速度略有差异，隔几年就得调一次时间。1972年，科学家又引进了用原子钟对时的世界标准时。不过，每隔几年还是得配合太阳经过“本初子午线”的实际状况，加上闰秒，以跟上地球公转的速度。然而，不知变通的网络和计算机碰上闰秒常会出状况。所以，科学家建议今后完全以原子钟为准，每50年加一次闰分以免计算机弄胡涂了。2012年1月，国际通讯联盟会议上将决定是否取消用了将近130年的格林尼治标准时间。^{[3]称重原子计时2013年年初，美国物理学家表示，他们研究出了一种新型的时钟可以通过称重原子的方式计时。美国加州大学伯克利分校的物理学家霍尔格-穆勒表示，任何大规模粒子以量子波的形式描述时都是上下振荡的，即使粒子并没有移动。原子的质量越重其振荡的频率越高，这被称作康普顿频率（Compton frequency）。依此原理，量子振荡可以用在记录时间上。而事实上，原子的康普顿频率相当之高，高到无法用任何电子计数器测量，美国加利福尼亚大学伯克利分校的博士后研究员蓝劭宇（Shau-Yu Lan）和他的同事采用先进技术构建了一台基于单个铯原子的原子钟，这台设备能够将这个原子超高的天然频率拆分成更容易测量的量。研究人员最终测出了一个铯原子的康普顿频率，以这个频率为基础，研究人员构建了一台只用到了单个原子的原子钟。和标准的原子钟相比，这种新型时钟能更加精确地记录时间。[4]新功能2013年8月，据《新科学家》报道，世界上最精准的计时器原子钟又添了一个新功能：科学家可将它用作量子模拟器，来研究磁体内部电子的量子行为，以更深入地了解量子世界的奥秘。相关论文发表在近日出版的《科学》杂志上。[5]}

最新成果

美国《科学》杂志于2001年7月12日公布的一项研究结果表明，美国政府科学家已经将先进的激光技术和单一的汞原子相结合而研制出了世界上最精确的时钟。位于美国科罗拉多州博尔德城的美国国家标准与技术研究所的科学家研制出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子钟。由于这种时钟的研制主要是依靠激光技术，因而它被命名为“全光学原子钟”。原子钟

我们知道原子时钟的“滴答”来自于原子的转变，在当前的原子钟中，铯原子是在微波频率范围内转变的，而光学转变发生在比微波转变高得多的频率范围，因此它能够提供一个更精细的时间尺度，也就可以更精确地计时。这种新研制出来的全光学原子时钟的指针在1秒钟内走动时发出的“滴嗒”声为一千的五次方（在1后加15个零所得的数），是现在最高级的时钟――微波铯原子钟的十万倍。所以，用它来测量时间将更精确得多。

所有时钟的构造都包括两大部分：即能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。在大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。目前最高级的原子钟，就是利用100万个液态金属铯原子对微波辐射做出反应来控制时钟指针的走动。这样的时钟指针每秒钟大约走动100亿次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。但是铯原子钟使用的高速电子学技术并不能计算更多的时钟指针走动次数。因而，美国科学家在研究新型的全光学原子钟时使用的不是铯原子，而是单个冷却的液态汞离子（即失去一个电子的汞原子），并把它与功能相当于钟摆的飞秒（一千万亿分之一秒）激光振荡器相连，时钟内部配备了光纤，光纤可将光学频率分解成计数器可以记录的微波频率脉冲。

要制造出这种原子钟需要有能够捕捉相应离子，并将捕捉到的离子足够静止来保证准确的读取数据的技术，同时要能保证在如此高的频率下来准确的计算“滴答”的次数。这种时钟的质量依赖于它的稳定性和准确性，也就是说，这个时钟要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相一致。

领导这一研究的美国物理学家斯科特·迪达姆斯（S.A.Diddams）说：“我们首次展示了这种新一代原子钟的原理，这种时钟可能比目前的微波铯原子钟精确100到1000倍。”它可以计算有史以来最短的时间间隔。科学家们预言这种时钟可以提高航空技术、通信技术，如移动电话和光纤通信技术等的应用水平，同时可用于调节卫星的精确轨道、外层空间的航空和联接太空船等。

由美国科罗拉多大学天体物理学研究所联合实验室研发，锶晶格原子钟，此前这项纪录的保持着为美国国家标准与技术研究所研制的量子逻辑时钟，但锶晶格原子钟比后者更加精准，精确度能提高50%。

天体物理学研究所的JunYe博士认为锶晶格原子钟由两个能级之间的原子振荡控制，通过激光装置精确控制能级之间的转换，这就实现了最为精确时钟的制造。其实科学家的目标是制造永远不会走偏的时钟，目标已经不是50亿年，而是整个宇宙的年龄，也就是说在这个宇宙可能存在的生命周期内，这个时钟是不会走慢或者走快。

2022年10月18日消息，中国科学家制造出地球上最精确的原子钟。^[6]

参考资料

[1] 搜狐：揭秘最精确计时工具原子钟 4亿年误差1秒，2008年11月09日[引用日期2011-10-13]

[2] CCTV-精密原子钟 解释“时间”概念[引用日期2011-10-13]

[3] 环球网：格林尼治标准时间或将被原子钟时间代替，2011-10-03[引用日期2011-10-13]

[4] 物理学家研发新型时钟 用称重原子的方式计时 · 搜狐科学[引用日期2013-01-18]

[5] 原子钟可模拟研究磁体内部电子的量子行为[引用日期2013-08-12]

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精确度非常高的计时仪器——原子钟

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