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原子鐘

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中文名： 原子鐘 用途： 探索宇宙本質 應用： 全球導航系統上 精度： 每100萬年誤差1秒

原子鐘，它最初本是由物理學家創造出來用於探索宇宙本質的;他們從來沒有想過這項技術有朝一日竟能應用於全球的導航系統上。

簡介

人們平時所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但在要求很高的生產、科研中就需要更準確的計時工具。目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘，它是20世紀50年代出現的。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的。由於這種電磁波非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。現在用在原子鐘里的元素有氫(Hydrogen)、銫(Cesium)、銣(rubidium)等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。

基本原理

根據原子物理學的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。這裡電磁能量是不連續的。當原子從一個"能量態"躍遷至低的"能量態"時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特徵頻率是不連續的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的-例如銫133的共振頻率為9 192 631 770Hz。因此銫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。

發明人

30年代，拉比和他的學生們在哥倫比亞大學的實驗室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在這裡，他們在依靠這種原子計時器來製造時鐘方面邁出了有價值的第一步。在其研究過程中，拉比發明了一種被稱為磁共振的技術，依靠這項技術，他便能夠測量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎。同年，他還首先提出"要討論討論這樣一個想法"(他的學生這樣說道)，也就是這些共振頻率的準確性如此之高，完全可以用來製作高精度的時鐘。他還特別提出要利用所謂原子的"超精細躍遷"的頻率。這種超精細躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細微能量差別的狀態之間的躍遷。

在這種時鐘里，一束處於某一特定"超精細狀態"的原子束穿過一個振盪電磁場。當原子的超精細躍遷頻率越接近磁場的振盪頻率，原子從磁場中吸收的能量就越多，從而產生從原始超精細狀態到另一狀態的躍遷。通過一個反饋迴路，人們能夠調整振盪場的頻率直到所有的原子完成了躍遷。原子鐘就是利用振盪場的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產生時間脈衝的節拍器。

發現史

直到上世紀20年代，最精確的時鐘還是依賴於鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基於石英晶體有規則振動而製造的，這種時鐘的誤差每天不大於千分之一秒。即使如此精確，但它仍不能滿足科學家們研究愛因斯坦引力論的需要。根據愛因斯坦的理論，在引力場內，空間和時間都會彎曲。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個時鐘，比海平面處完全相同的一個時鐘平均每天快三千萬分之一秒。所以精確測定時間的唯一辦法只能是通過原子本身的微小振動來控制計時鐘。

NIST F-1原子鐘，它由170個元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位於中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動，發出極為規則的"信號"。

上世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生在研究原子及其原子核的基本性質時所獲得的成果，使基於上述原子計時器的時鐘研製取得了實質性進展。在拉比設想的時鐘里，處於某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，並因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷。反饋迴路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈衝，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。1949年，拉比的學生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精確。1989年，拉姆齊因此而獲得了諾貝爾獎。

二戰後，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕里合作建造完成的，但這個鐘需要一個房間的設備，所以實用性不強。另一名科學家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器。扎卡來亞斯計劃建造一個被他稱為原子噴泉的、充滿了幻想的原子鐘，這種原子鐘非常精確，足以研究愛因斯坦預言的引力對於時間的作用。研製過程中，扎卡來亞斯推出了一種小型的原子鐘，可以從一個實驗室方便地轉移到另一個實驗室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生產出了第一個原子鐘，並在四年內售出50個，如今用於GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的後代。

到了1967年，關於原子鐘的研究如此富有成效，以至於人們依據銫原子的振動而對秒做出了重新定義。如今的原子鐘極其精確，其誤差為10萬年內不大於1秒。歷經數年的努力，三種原子鐘――銫原子鐘、氫微波激射器和銣原子鐘(它們的基本原理相同，區別在於元素的使用及能量變化的觀測手段)，都已成功的應用於太空、衛星以及地面控制。現今為止，在這三類中最精確的原子鐘是銫原子鐘，GPS衛星系統最終採用的就是銫原子鐘。

2010年2月，由美國國家標準局研製的鋁離子光鍾已達到37億年誤差不超過1秒的驚人水平，成為世界上最準的原子鐘。

種類

銫原子鐘

銫原子鐘它利用銫原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振盪器，進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高，目前，最好的銫原子鐘達到2000萬年才相差 1 秒。現在國際上， 普遍採用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標準，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。

氫原子鐘

氫原子鐘一種精密的計時器具。氫原子鐘是在現代的許多科學實驗室和生產部門廣泛使用一種精密的時鐘，它是利用原子能級跳躍時輻射出來的電磁波去控制校準石英鐘，但它用的是氫原子。這種鐘的穩定程度相當高，每天變化只有十億分之一秒。氫原子鐘亦是常用的時間頻率標準，被廣泛用於射電天文觀測、高精度時間計量、火箭和導彈的發射、核潛艇導航等方面。氫原子鐘首先在1960年為美國科學家拉姆齊研製成功。氫原子鐘是種高精度的時間和頻率標準，在國防、空間技術和現代科學試驗中有着重要的應用。

銣原子鐘

是所有原子鐘中最簡便、最緊湊的一種。這種時鐘使用一玻璃室的銣氣，當周圍的微波頻率剛好合適時，就會按光學銣頻率改變其光吸收率。 三種原子鐘――銫原子鐘、氫微波激射器和銣原子鐘，都已成功的應用於太空、衛星以及地面控制。現今為止，在這三類中最精確的原子鐘是銫原子鐘，GPS衛星系統最終採用的就是銫原子鐘。

此外，還可以通過使用激光束來防止銫原子前後高速移動，從而可以減少因多普勒效應而產生的輕微頻率變化。

CPT原子鐘

CPT原子鐘是利用原子的相干布局囚禁原理而實現的一種新型原子鐘，也是目前從原理上唯一可實現微型化的原子鐘，其體積、功耗比目前體積、功耗最小的銣原子鐘相比還要小得多。最小的CPT原子鐘可為手錶尺寸，並用紐扣電池供電。由於這些特點，CPT原子鐘在遠程通訊系統定時、大範圍通訊網絡同步、武器裝備的便攜化等軍、民應用方面具有很好的應用前景。例如，CPT頻標應用於GPS接收機，可以顯著提高導航定位精度。歐美等西方國家已經把便攜式和微型化CPT頻標的研發作列入國家戰略發展目標。美國已經有兩種商品CPT頻標上市。 中科院武漢物理與數學研究所2006年研製出我國首台CPT原子鐘樣機，隨後立即轉入具有重要應用背景的樣機研製。最近，以顧思洪研究員為首的研究人員在CPT原子鐘核心技術攻關方面取得重要進展，研製出性能得到明顯改進的CPT原子鐘，其穩定度和功耗等主要指標已與國外商品鐘的指標相當。下一階段的主要研究目標是進一步優化設計參數，並進行工藝改進，研製出可以滿足實際應用要求的CPT原子鐘。