【科学强国】原子钟：最精确的计时仪器

　　从古到今，人们为了能够准确的计算时间，发明了圭表、日晷、漏刻、石英钟、机械钟表等计时器。然而，原子钟的出现，无疑是令人震撼的发明，因为这种计时装置，精度可以达到每2000万年才误差1秒。原子钟的出现，标志着原子“秒”时代的开始。

图源：中国科学院上海天文台官网

　　原子钟是一种计时装置，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。

　　古代的计时工具有哪些？

　　计时就是测量某种周期运动发生的次数，时间单位就是对特定周期运动发生次数的一种规范。

　　古人把一根棍子插在地上，观察日出到日落棍影位置的周期变化，然后根据一天中影子的不同位置来标记一天中的时间，这种钟表就叫作“日晷”。

　　除了日晷之外，人们还用流水和流沙来测量流逝的时间，造出了水钟和沙漏。

　　然而日晷、水钟和沙漏的运动周期都是不稳定的，受季节、温度、摩擦力等因素的影响很大。这导致周期运动的周期和频率不确定，计时自然也就不准确。

　　后来，人们发明了更稳定的机械钟表，它们受摩擦力等因素影响较小，并且由于它们的运动频率很大，这种误差就被大大缩小了。现在较好的机械钟表，在一天中运行的误差也就在十几秒。

　　相较于机械钟表，石英钟的计时更加精准。石英钟依托的是石英晶体在电流作用下的振荡周期运动，这种运动在1 秒钟内可以发生32 768次。相比于机械钟表，石英钟的周期更为稳定，计时也更加准确。普通的石英钟运行一天，误差都不会超过2 秒。

　　原子钟：计量时间的千分尺

　　来自美国的科学家发现了原子钟。

　　20世纪30年代，伊西多·艾萨克·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。

　　同年，他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。

　　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。

　　原子钟是利用原子在吸收或释放能量时发出的电磁波来计时。由于原子辐射电磁波的频率极高且极为稳定，原子钟的精度可以达到每千万年仅误差1秒。高精度原子钟的问世，让人们重新思考起“时、分、秒”的概念定义。在此之前，这些概念定义依据的是地球的公转和自转周期。因为地球的公转和自转周期会随时间缓慢变化，原本的定义便不再能满足人们对更加精准测量的要求。因此，1967年，国际计量大会将“秒”的概念定义在铯原子钟上，即铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期持续的时间。这标志着原子“秒”时代的开始。

　　1949年，伊西多·艾萨克·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。

　　卫星导航上的原子钟

　　原子钟是北斗卫星导航定位系统的心脏，其为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号，决定了导航系统的导航定位、测速及授时的精度，是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心技术之一。目前，用作原子钟工作物质的元素有氢（Hydrogen）、铯（Cesium）、铷（Rubidium）等。

　　2007年我国首批国产铷原子钟上天服役，实现了国产星载原子钟零的突破。

　　2015年9月30日7点13分，我国星载氢原子钟跟随北斗二代二期试验卫星在西昌卫星发射中心成功发射，成为中国北斗导航卫星发展史上一个新的里程碑。

　　2024年，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院梅刚华团队发布最新成果，他们将铷原子钟短期频率稳定度提升至E-14（百万亿分之一）量级，再次刷新了铷钟频率稳定度的世界纪录。

　　未来，随着科技的进步和发展，高时间精度的原子钟也将引领科技风潮，为更多领域带来革命性的变革和进步。

　　（科普中国-军事科技前沿、科普江苏、仪器信息网等综合整理）

　　作者：科学君

　　编辑：赵狄娜

　　审核：龚紫陌