科学家为什么要研究原子钟？今晨发射的第四十七、四十八颗北斗导航卫星携带氢钟，氢钟是什么_原子钟_原子_频率

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• 科学家为什么要研究原子钟
• 今晨发射的第四十七、四十八颗北斗导航卫星携带氢钟，氢钟是什么
• NASA发射深空原子钟，这个原子钟有什么了不起
• 原子钟对我们的生活有着怎样的意义

科学家为什么要研究原子钟

古人最早以天文现象来计时，即太阳的东升西落为一天，后来又总结出月亮围绕地球运行一周为一月，地球围绕太阳运行一周为一年，在计时工具上则发明了日晷、沙漏等，其计时精度很差，但在当时的社会生产条件下已基本够用了。

不过随着科技的发展，人类社会对计时的精度要求也越来越高，于是又发明了机械钟表，电子表等，近几十年来，计时参考开始对照原子内部的规律性运动，比如原子的振荡频率，其惊人的稳定节奏使得计时变得极为精确，于是原子钟诞生了。

原子钟利用的是原子中电子的能量跃迁来计时的，科学家早就发现了原子中的电子在特定的能级上只能携带一定量的能量。70年前就有科学家提出了计时方面的原子分离振荡法，就是把原子的振荡频率提取出来作为计时器的运动周期，为了使原子中的电子从一个能级到达另一个能级，可以用恰当频率的激光照射原子激发电子的能量跃迁实现电磁波振荡的速率，因为原子的结构十分稳定，周期运动的时间间隔很小，得出其振荡频率后用它计时的计时器就叫做原子钟。

现在很多高科技领域都需要精确的计时，使用的都是原子钟，比如卫星导航系统，原子钟是通过电子等微观粒子的跃迁节奏确定时间的，铯原子、氢原子、汞原子、铷原子、锶原子等都已经被科学家广泛用于研制原子钟。有人已经将铯原子钟做到了2,000万年误差一秒，而几年前我国天宫二号上放置的冷原子钟则做到了3,000万年误差一秒。

3000万年才差一秒，原子钟足够精确了吧！然而它还并非是目前最精确的，已有光学原子钟可以做到运行一二百亿年也不会差一秒，或者说从宇宙诞生开始一直运行到今天，它的误差也不会超过一秒。

这样的计时精确度足够高了吧？然而科学家们并没有停下脚步，仍然在向着更高的计时精度努力，如今世界顶尖的计时研究专家正在研制一种比原子钟更精确的时钟——核钟，理论上讲它的精度可以达到光学研制中的至少10倍以上，可将计时的精确度推向新的极致。

那么核钟是依靠什么来实现更高的精度的呢？科学家发现原子核里的质子和中子虽然被强核力捆绑在一起，但本质上也像电子一样占据着不连续的能级，因此理论上也可以利用原子核的物理特性制造出计时精度更高的核钟，而由于原子核能够抵御会干扰原子钟的杂散电场或磁场的影响，物理学认为原子核能级之间的跃迁要比电子更具规律性和稳定性，因此理论上讲核钟将比原子钟将更精确，更稳定，可达我国冷原子钟精确度的数百倍。

那么又如何激发原子核的能量跃迁呢？对大部分的元素来说，能够激发电子实现能量跃迁的激光无法激发他它们实现能量跃迁的，但是在不断地研究与探索中，科学家发现钍-229元素中有一对能量足够接近的相邻能级，用激光就可能引发它的跃迁，因此科学家们认为是可以制造出钍-299核钟的，它的精确度就要比光子原子钟强十倍，预估在未来数年内将可以制造出这种核钟，它可以在上千亿年的时间幅度内误差不超过一秒，在宇宙诞生至今的138亿年的时间中，它的运行误差幅度也不过才1/10秒。

更精确的计时器将会推动诸多高科技领域的发展以及多学科科学研究向着更高层次进步。

参考资料：

中科院物理研究所官方账号“中科院物理所”6月19日文章《比原子钟更精确的是？》

今晨发射的第四十七、四十八颗北斗导航卫星携带氢钟，氢钟是什么

氢原子钟，简称“氢钟”，它是一种精密的计时器件。它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，但它用的是氢原子。氢原子钟是种高精度的时间和频率标准，每天变化只有十亿分之一秒。氢原子钟亦是常用的时间频率标准，被广泛用于天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。目前国际上仅中、美、俄等少数国家具有独立研制能力。

其次，星载氢原子钟主要分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟三种。相比铷原子钟，氢原子钟在重要技术指标，如频率稳定度、频率准确度和日漂移率等方面具有明显优势。星载氢钟的应用可使导航系统的定位精度更高、全球覆盖、长时常自主导航能力，显著降低北斗导航系统全球应用时的校时压力。

NASA发射深空原子钟，这个原子钟有什么了不起

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要想弄清楚这个问题，首先需要了解什么是原子钟：

欲拒还休：揭开原子钟“神秘的面纱”

原子钟是一种利用微波中的超精细跃迁频率、光学中的电子跃迁频率或原子电磁光谱中的紫外区作为其计时元件频率标准的时钟装置。原子钟是当今世界已知的最精确的时间和频率测量基准，并已被用作国际时间分配服务的主要计量标准。目前，该标准主要应用在控制电视广播的波频、以及全球卫星导航系统(如GPS)的测量定位中等。

图 FOCS-1原子钟(瑞士)。主要频率基准装置，是世界上最精确的时间测量装置之一，摄于瑞士联邦计量院。

原子钟以原子物理学为主要工作原理：它以测量原子中电子在改变能级时发出的电磁信号为主要基准。早期的原子钟使用室温环境下的微波发射装置（Masers），自2004年以来，一种更准确的原子钟问世，该种原子钟首次将原子在绝对零度下冷却，并利用激光使它们减速，随后在微波釜内进行探测。通过这种方法制造的原子钟的一个最典型例子为NIST-F1原子钟，它目前是美国的国家时间和频率计量标准之一。

图 NIST-F1原子钟

原子钟之所以了不起，是因为它极其精准的精度。

原子钟的精度主要取决于两个因素：

第一个是样品原子的温度：在绝对零度下，原子移动得速度较慢，这就允许较长的探测时间，提高了测量精度；

第二个是电子或超精细跃迁的频率和固有线宽：更高的频率和更窄的线宽增加了测量精度。

原子钟的这种特点，使得许多国家的国家标准机构都有一个原子钟网络。这些原子钟之间相互比较，并保持每天0.000000001秒的同步精度，这就意味着1亿天才会产生1s的同步误差。正是因为原子钟极其准确的时间精度，才成为NASA发射深空原子钟的最主要原因。

拨云见日：NASA为什么发射深空原子钟？

NASA发射深空原子钟的一个最主要目的，是为了实现外太空探索的自主导航，开启更加精准、方便的“星际征途”。

图 芯片级原子钟

如果NASA深空原子钟的太空布局进展顺利，那么就会在最短的时间内发挥功用，甚至为未来的地月探索方式、自主执行任务等方面提供里程碑式的转变。

总之，利用NASA深空原子钟实现太空自主导航、减少与地球之间的频繁通信，将是现阶段航天器航行方式的巨大改进。

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原子钟对我们的生活有着怎样的意义

物理学家当时考虑研发原子钟是是为了探索宇宙的，可能他们从来没有想到在50年后，这种科技已经成为人们现实生活当中不可缺少的一部分。

测量距离、速度甚至是声音这种无形的东西，我勉强可以尝试着去理解。但是时间以一种我们大脑难以理解的方式流淌着。有时时光在飞逝，而有些时候则不是那样，似乎已经停滞。

所以不管是因为哲学或科学的原因，准确地以可以理解的方式去测量时间一直都是可以让人着魔的事。所有计时工具里最准确的还要数原子钟，今年马上就64岁了，我们来看看这个东西1955年6月3日是怎么开始走时并延续下来的。

数千年前，计时都是从最简单的观测开始的，比如日夜的重复或季节的周期性更替——非常容易记录。其他像星期、月份或者是小时和秒则更难准确地量化。而今天聊原子钟，则是我从一种钟表爱好者的角度讨论时间和计时历史的形式。

根据定义，时间是不确定的持续存在的过程和一种明显不可逆的次序从过去到现在再到将来发生的事件。这种现行的定义是根据观测标准的周期性事件（比如说一个钟摆自由摆动的经过）的多次重复而得出的，继而形成一种标准单位。换句话说，要计算时间的话，我们需要把它划分成等长的重复事件然后再来数特定的事件。

一秒曾经被定义为平均太阳日的1/86,400，但是地球的不规则公转让这个计算的精度大打折扣。我们想记录得越精准，我们就需要把时间拆分成更小并且更加连贯的重复片段。

那么问题来了，如何理解原子钟？

简单的说，就是从原子变化来测量时间。这是Kelvin在1879年提出的，但是从概念到现实还有很长一段路要走。另外我们可以了解到，磁铁和磁性也将发挥非常重要的作用，所以我们需要在这里提一下Isidor Rabi，是他进一步发展了磁共振背后的理论，1945年他首次提出原子流磁共振可能可以用来作为时钟的基础。

1949年美国当时的国家标准局制作了一个氨微波激射器装置，不久第一台原子时钟就问世了。好玩的是，这个玩意儿还没有当时的石英钟准，更多是当作这个概念的展示而制作出来的。

那么第一款实用原子钟是如何来的呢？

这里就要说到英国物理学家Louis Essen，他从伦敦大学取得博士学位后兴趣转向了寻找一种计时方法摆脱根据地球的公转来表述的传统定义。

他对用原子谱的频率来改进时间测量的可能性非常着迷，他了解到美国标准局展示过用铯作为原子的参考依据来测量时间的可行性。1955年他与Jack Parry合作，开发了第一款实用的原子钟，将铯原子标准和传统的石英水晶振子结合在一起方便对现行的计时进行调校。

石英水晶振子表友们肯定不陌生了，这是石英机芯的核心。

通过微波激活铯原子里的电子从一个能量水平到另一个水平，Essen可以用一种精确又可重复的频率来稳定微波。跟钟摆的摆动非常相似，Essen的原子钟原型依赖于这种频率来记录时间的经过。

自1967年起国际单位系统（SI）把一秒定义为9,192,631,770（简单点就是超过90亿）次放射周期的延续时间，相当于铯133原子两个能量等级之间的变化。1997年，国际组织CIPM补充说明此前的定义指0 K环境下静态的铯原子。

如果不把它弄得听起来非常高科技，原子钟的复杂工作方式将会是无法逾越的界限，但是我们需要知道的就是这个工具依赖于院子内粒子的非常稳定的“活动”，一种以微波频率运转的电子振子，以及由频率决定的部件的活动。

通过共振器时转变状态的原子的占比取决于微波辐射的频率，因此原子钟要做的工作就是让这种频率原子内在的摆动频率同步。目标就是把微波频率和原子震动的频率调好，然后去测量这个频率。经过恰好9,192,631,770次震动后，一秒就过去了。

技术的进步从未停滞，因此绝对不要认为科学家和工程师已经停止突破计时效果。看看，大多数原子时钟还没有那么精确，每个月的失误累计达到十亿分之一秒——对各种科学用途来说，这个结果还不够好。

解决办法是称作光学钟的这种形式。这种时钟采用震动频率比原子钟的微波频率高10万倍的原子或离子。这种变化，就好比机械表的频率由4赫兹跳到5赫兹，意味着更好的稳定性和长时间后出色的表现。

换而言之理解，比如真力时的DEFY LAB因为开发了替代游丝摆轮的新型振荡器，而且机芯频率达到了15赫兹后，可以将日差控制在0.1秒。

老邓说表：

现在，世界上至少有400件原子钟，通过卫星互相连接，帮助保持全球的准确时间。或许最重要的应用还要数全球导航卫星系统（或者通称的GPS）。跟许多其他技术进步一样，大多数人都把这种技术理解成理所当然——老邓当然也是如此。

为什么科学家一直追求极精准时间？因为这是现代生活的一个基础。银行和金融领域的一切、通讯、民航、导航、打电话和互联网都高度依赖于我们的设备保持时间同步。如果缺乏保持和分配时间的精度，我们日常生活的这些元素都不可能运转。