第524章 原子钟的原理

很显然，这个当然不能这么算了！毕竟这是受到气压的影响，和时间快慢本身又有什么关系呢！

所以当速度变快之后，飞船上，或者卫星上用来计时的原子钟会不会也会出问题呢！

就如同那个利用滴水来计时的计时器会受到气压影响一样。

因此速度变快之后是不是也会影响原子钟的计数呢！从而让人错误的认为这是时间变慢所导致的。

要知道，为了准确计量时间，随着时代发展，时间计量工具在不断更新换代，从日晷、沙漏、水钟，到机械钟、石英钟，再到原子钟，精确度越来越高。

如果说日晷、沙漏、水钟是鲁班尺，那么机械钟、石英钟就是卷尺，原子钟则是千分尺。

而随着科技的进步和发展，终于到二十世纪三十年代，科学家在研究原子和原子核的基本特性时发现，原子的振荡频率准确性非常高，从而产生了利用原子的振荡频率来制作时钟的想法。

于是在一九四八年，米啯啯家标准局利用氨分子的吸收谱线，建造了世界上第一台原子钟。

但受多普勒效应影响，振荡器谱线太宽，其精确度并不比石英钟高。为此，米啯物理学家拉姆齐在一九四九年提出分离振荡场的方法，大大提高了精确度。

之后一九五五年，音啯物理实验室用铯元素唯一的稳定同位素铯一三三原子，成功研制出第一台铯束原子钟，开创了实用型原子钟的新纪元。

到二十世纪末，科学家们对原子钟的使用条件进行严格规定，并通过使用激光冷却和原子俘获及更精密的激光光谱等技术，大幅提高了原子钟的精确度。

而后进入二十一世纪，科学家们不但在原子钟的准确度方面追求极致，还在原子钟的微型化和节能化方面狠下功夫。

这使新一代原子钟实现了芯片级跃升，能耗也大大降低，从而在稳定性和精密性方面得到极大优化，并进入商业化推广阶段。

而原子钟一般运用在对时间精确度要求比较高的系统上。比如卫星导航系统，它主要利用测量时间来测距，最后达到导航定位的目的。

时间测量，则主要依赖于卫星和地面站放置的原子钟。原子钟如同卫星导航系统的“心脏”，其精准与否直接影响卫星定位、测速和授时精度。

卫星上常用的铷原子钟，可做到几十万年只差一秒。即使如此之高的时间精度，也会让卫星导航系统产生数米的定位误差。

当然由于卫星环绕蓝星飞行的速度太快，所以就会照成相对论中的时间膨胀效应，让原子钟的实际时间变慢，所以为了不至于和地面时间偏差越来越大，因此卫星定位系统里的原子钟都是和地面上的原子钟经常性校准的。

只有这样才能保持卫星定位的精准程度，不至于误差太大。

然而被奉为最精准的原子钟为何会受到速度的影响从而变慢，而这就得从原子钟的制作以及运行原理解释了。

要知道，原子由中心的原子核及在核外沿特定轨道运行的电子组成。每个电子都有属于自己固定的飞行轨道，当最外层电子从一个轨道跳变到另一个轨道时，能量就会发生改变，需要吸收或释放电磁波。

这个电磁波有一个确定的频率，而且非常稳定。根据现在电子表原理，只要我们掌握了某种原子超精细能级之间所对应的电磁振荡频率，就可用来精确计时了。所以，科学家用原子作节拍器，保持时间的高精度。

而如何利用这个稳定的电磁波作为时间计量的钟呢！

早期的科研工作者们针对不同原子，研究出了不同对策。对于导航卫星上装载的铷原子钟，首先将铷原子团“囚禁”在一个密闭的真空气室里，并用波长七百八十纳米的光照射它，铷原子的最外层电子吸收光场的能量，跳变到另一个轨道，并自辐射到第三个轨道。

当所有铷原子都完成这一步骤后，便不再吸收光子，也无法观察到原子自发辐射产生的荧光了。之后，再用一个六点八吉赫兹的微波去照射这群原子，让第三个轨道的电子重新回到第一个轨道。

这时，可观察到铷原子重新吸收七百八十纳米的光子，并自发辐射出荧光。利用观察到的荧光强弱，反馈回去纠正微波信号，就可得到高度稳定的微波频率。这就是铷原子钟的工作原理。

地面上常用于时间保持的铯原子钟，则完全采用不同策略。原子外层电子如果处在不同轨道，就会具有不同的磁矩，在非均匀磁场中，将会受到不同大小的磁力。

先将铯原子加热成气体，并让其穿过一个小孔变成铯原子束，然后再穿过一块特定的磁铁，处于不同轨道的原子就会发生不同角度的偏转。

这时，用一束九点二吉赫兹的微波去照射这些原子，让某一特定角度偏转的原子实现轨道跳变，最后再通过一个特定方向的磁铁，让发生跳变的这一部分原子刚好穿过另外一个小孔，并用传感器去探测这一部分原子的数目，将其转换成电信号，反馈回去控制微波源的频率，得到稳定频率的微波信号。

有了这些稳定频率的微波信号后，人们可通过电磁学手段，将其转变成标准频率，供科研、通信、工业等领域使用。

也可利用电磁学手段，将这个频率信号转换成一系列间隔为一秒的脉冲信号，进而变为我们熟悉的时间信号“时、分、秒”进行输出。这样，我们就拥有了一台原子钟。

随着激光等技术手段的不断成熟，除了传统的铷钟、氢钟、铯钟之外，还涌现出离子钟、冷原子喷泉钟、光钟等新型原子钟，精确度指标也在不断刷新。目前，最好的光钟精确度指标已进入十到十九量级。

虽然原子钟听起来高深莫测的原子钟，其实离人们的生活并不遥远，已融入我们的生活中。

因为除了定位导航外，原子钟还被应用到全世界的时间保持和授时服务上。

比如，我们所熟知的苝惊时间，就是整个蓝星一百五十多台原子钟共同守时并加权平均后的结果。

各种物理学常数的测定，还有电力系统、通信系统，也都离不开高精度的原子钟。

否则，电网调节时间出现偏差，可能会导致电机故障，更加严重的甚至能让电网崩溃，而各地交通体系时间有差异，可能会造成交通事故，以至于人员伤亡。

(本章完)


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