原子钟

原子钟以原子共振频率标准来计算时间的准确，是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，用来控制电视广播和全球定位系统。现在用在原子钟里的元素有氢、铯、铷等，最好的铯原子钟精度可以达到每500万年相差1秒。2012年1月，国际通讯联盟会议上将决定是否用原子钟时间取代使用了近130年的格林尼治标准时间。

原子钟 - 定义

原子钟以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号。现在用在原子钟里的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等。最好的铯原子钟精度可以达到每500万年相差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

2012年1月，国际通讯联盟会议上将决定是否用原子钟时间取代使用了近130年的格林尼治标准时间。

原子钟 - 历史

直到本世纪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。

1945年，哥伦比亚大学物理教授Isidor Rabi建议采用他在二十世纪三十年代开发的原子束磁共振法制造时钟。

1949年，国家标准局（NBS，现称美国国家标准技术协会，简称NIST）宣告开发了全球第一台将氨分子用做振荡源的原子钟；1952年，该机构宣告开发了第一台将铯原子用做振荡源的原子钟，即NBS-1。

1955年，英国国家物理实验室制造出了第一台可用做振荡源的铯束原子钟。在其后的十年中，越来越多的先进时钟相继问世。

1967年，第13届度量衡大会在铯原子振荡技术的基础上制定了SI秒，从此，全球的计时系统不再以天文学技术为基础。NBS-4于1968年完工，它是世界上最稳定的铯原子钟，到二十世纪九十年代为止，它一直是NIST时间系统的重要组成部分。

1999年，NIST-F1开始投入使用，其误差为1.7 x 10-15，即精度约为2000万年偏差1秒，是有史以来最精确的时钟。但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的时间和频率部内。

原子钟 - 类型

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500万年才相差 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。

原子钟 - 原理

尽管现在市面上有形形色色的各种原子钟，但这些原子钟的原理都是相同的，其主要差别在于使用的元素，以及能级变化时间的检测方式。

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。

原子钟 - 过程

第一阶段

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。

原子钟 - 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。