原子钟

# 原子钟是如何工作的？ 来源：https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-do-atomic-clocks-work 插图：外太空中的一颗原子，附近环绕着一颗带环行星，旁边漂浮着一个模拟时钟表盘。 图片来源：N. Hanacek/NIST 我们现代世界依赖的时钟，利用的是隐藏在原子内部的秘密——原子是物质最基本的构建单元，构成了一切事物，从我们的身体，到你正在阅读此文的设备，再到地球本身。 如果你今天曾在手机、电脑或智能手表上查看过时间，那么你已经与原子稳定不变的节拍对齐了。如果你曾使用GPS导航或乘坐飞机，原子钟已经帮助你安全抵达目的地。如果你买入或卖出一支股票，那笔交易便被打上了原子时间的印记。如果你打过电话或搜索过网页，你已经接入了由原子同步的网络。 但我们如何利用这些微小的粒子来计时呢？要深入原子内部并提取它们的节拍，我们必须以极其精细和精妙的方式使用光。我们还必须巧妙地介入量子物理那奇妙而奇异的世界——量子物理支配着最微小尺度上的世界，包括原子内部。 ## 什么才算是时钟？ 要理解原子时间，我们首先必须理解时钟的一些本质。 时钟的核心是两个部件的结合：一个振荡机制，即以稳定节拍“滴答”运行的装置；以及一个计数这些节拍并显示时间的设备。在历史上大部分时间里，振荡机制一直是人造物体：落地钟摆动的钟摆；你手表或笔记本电脑中的石英晶体。 插图：各种模拟和数字时钟，有些挂在红色墙壁上，有些放在棕色桌面上。 图片来源：Mountain Brothers/Shutterstock 但没有任何两个钟摆或晶体是完全相同的——因此它们产生的时间节拍也不尽相同。人造钟表永远无法完美同步。 制造出来的时钟还有第二个问题：它们会漂移。一个滴答与下一个滴答略有不同，然后又一个，如此继续。人造时钟本质上是不稳定的。 相比之下，原子可以产生近乎“完美”的节拍。原子没有制造部件，不会随时间磨损或变慢。而且所有同类型的原子都是完全相同的。 量子物理告诉我们，原子会吸收和发射特定颜色或频率的光波。调谐到这些原子频率的光波，产生的时间节拍比任何其他类型时钟的节拍稳定且精确数十亿倍。 事实上，就我们所知，原子频率提供了宇宙中最纯粹、最稳定的节拍。如果另一个先进文明在遥远行星上进化出来，它很可能像我们一样使用原子来测量时间。 那么，这些神奇的原子钟究竟是如何工作的？ ## 原子的内在生命 原子无处不在，也存在于我们体内。但当数十亿个原子结合在固体物体中（如我们的身体）时，它们的行为与单独存在时截然不同。要制作时钟，我们必须首先将单个原子从几乎所有其他事物中分离并隔离出来。 然后我们将原子浸入光中。光是自然界将能量从一个地方传递到另一个地方的方式。它以波的形式传播，在穿越空间时上下起伏，就像横跨海洋的水波那样交替出现波峰和波谷。光波的频率是它在一秒内从波峰到波谷再到波峰循环的次数。 要将原子变成时钟，我们不能使用任何光：我们需要一种经过精细调谐到特殊频率的光，这个频率被称为原子的共振频率。当光频率接近共振时，原子可以吸收部分光能并改变其内部能量状态——这通常被称为“量子跳跃”。 动画展示了光波与原子的相互作用。文字显示：“原子在什么时候吸收光能？” 图片来源：J. Wang/NIST 你可以在游乐场上找到共振的日常例子。如果你只在一个孩子荡到最高点时推他，孩子会越荡越高。这是因为你将推动的频率调谐到了秋千的自然共振频率。相反，如果你随意间隔地推，秋千不会更高，甚至可能停下来。 另一个熟悉的例子涉及歌剧演唱家和酒杯。当歌手声音的声波达到酒杯的自然共振频率时，酒杯会迅速吸收大量能量——并碎裂。 更具隐喻性地，当我们说一个想法与内心的某些东西产生共鸣时，我们常常说它“resonates”。 现在你可能想知道，原子钟中是什么提供了稳定的滴答声——还有这些关于共振和能量状态的讨论与计时有什么关系？ 原子钟中“滴答”作响的是用于激发原子的光波。当我们把光频率调谐到接近原子的共振频率时，越来越多的原子会从光中吸收能量并发生量子跳跃。 通过测量有多少原子吸收了能量，我们可以检测到光频率是否已达到共振频率——或者至少非常接近。然后我们计算共振光的波峰和波谷，并将这些计数转换为时间滴答。 要数多少次波峰和波谷的循环才能构成一秒？这取决于我们使用的原子类型，因为每种原子都有不同的内在共振频率。对于常用于时钟的一种原子——铯——答案是9,192,631,770次循环。事实上，在1967年，全球计时机构将官方国际秒定义为：调谐到铯共振频率的光通过检测器正好那么多周期所需的时间。 ## 为什么我们使用原子来计时？ 为什么我们使用原子来计时？ 为什么我们使用原子来计时？ 世界各地的人们如何保持时间一致？他们使用原子钟。这些非凡的设备利用隐藏在原子核心中的频率，产生极其稳定、精确的时间节拍——远胜于任何其他类型的时钟。这段动画解释了为什么我们用原子来计时，以及它们如何让我们所有人都跟上节拍。 ## 原子钟时代 因为原子本身是完美的，原子钟的精度只取决于其激光器、电子设备和其他组件的质量。第一台原子钟于1949年由在华盛顿特区的国家标准局（现NIST）实验室工作的科学家发明，其性能并不比当时已有的电子钟好多少。但原子钟以惊人的速度进步，并且已经改变了我们的世界。 今天最好的原子钟比任何其他类型的时钟都精确和准确数十亿倍。如果它们从138亿年前的大爆炸起就一直运行，它们的误差将不到一秒。 在过去的75年里，科学家和工程师建造了用于计时、导航、电信、科学探索以及无数其他用途的原子钟。新型时钟可能很快会开启前辈们只能梦想的能力。 本网站提供了一次原子时间的之旅。继续阅读，了解不同的原子钟如何工作，原子钟如何帮助我们计时（https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-do-we-know-what-time-it），这项非凡技术的历史（https://www.nist.gov/atomic-clocks/brief-history-atomic-time），以及原子钟如何在技术和科学领域带来深刻且有时意想不到的进步。 创建于2024年8月22日，更新于2024年10月21日