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原子钟

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中文名： 原子钟 用途： 探索宇宙本质 应用： 全球导航系统上 精度： 每100万年误差1秒

原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

简介

人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，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。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

基本原理

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，这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-例如铯133的共振频率为9 192 631 770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

发明人

30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术，依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出"要讨论讨论这样一个想法"(他的学生这样说道)，也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的"超精细跃迁"的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

在这种时钟里，一束处于某一特定"超精细状态"的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

发现史

直到上世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。即使如此精确，但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

NIST F-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"。

上世纪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。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。

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。

种类

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。

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。 中科院武汉物理与数学研究所2006年研制出我国首台CPT原子钟样机，随后立即转入具有重要应用背景的样机研制。最近，以顾思洪研究员为首的研究人员在CPT原子钟核心技术攻关方面取得重要进展，研制出性能得到明显改进的CPT原子钟，其稳定度和功耗等主要指标已与国外商品钟的指标相当。下一阶段的主要研究目标是进一步优化设计参数，并进行工艺改进，研制出可以满足实际应用要求的CPT原子钟。