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精益求精的原子钟

  

  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。

  美国国家标准与技术研究所研究人员在8月22号宣布,他们成功研制出迄今最精确的原子钟。此前,人类已经发明并使用的原子钟有三种,铯原子钟、氢原子钟、铷原子钟,其中最精确的是铯原子钟,GPS卫星系统采用的就是铯原子钟。而在2010年2月,美国国家标准局研制的铝离子光钟达到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。

  此次,美国国家标准与技术研究所发布的最新的原子钟则是镱原子钟,论文共同作者、物理学家安德鲁·拉德洛说:“镱原子钟的稳定性打开了通向许多令人激动的高性能计时实践应用的大门”。

  研究人员称,他们研制出的原子钟,如果从宇宙诞生之初就开始“滴答滴答”走动,到今天也不会发生1秒的误差。

  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的共振频率为每秒91亿9263万1770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

  实际上,直到上世纪20年代,人类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。那么如果在珠穆朗玛峰顶部的时钟,会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。

  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,依靠原子计时器在制造时钟方面取得了实质性进展。

  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(美国国家标准与技术研究所前身)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。

  世界上第一座原子钟建于1949年,位于美国的国家标准局(美国国家标准与技术研究所前身)。第一座准确的原子钟于1955年建造,位于英国国家物理实验室。1967年,第十三届国际度量衡会议采用铯133原子钟所发出特定波长的频率,作为秒的基准依据。将原子钟某特定波长所发出的光振动 9192631770 次所经过的时间,定义为一秒。原子钟相当稳定,不易受环境变化影响。

  美国国家标准与技术研究所研究人员说,最新研制出的镱原子钟的精度达10的18次方,比此前最精确的原子钟提高了10倍的精度。这样的原子钟有望在要求有稳定时间信号的领域派上用场,包括互联网、金融系统还有导航定位系统等

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