第524章 原子鐘的原理

  第524章 原子鐘的原理

  很顯然，這個當然不能這麼算了！畢竟這是受到氣壓的影響，和時間快慢本身又有什麼關係呢！

  所以當速度變快之後，飛船上，或者衛星上用來計時的原子鐘會不會也會出問題呢！

  就如同那個利用滴水來計時的計時器會受到氣壓影響一樣。

  因此速度變快之後是不是也會影響原子鐘的計數呢！從而讓人錯誤的認為這是時間變慢所導致的。

  要知道，為了準確計量時間，隨著時代發展，時間計量工具在不斷更新換代，從日晷、沙漏、水鍾，到機械鐘、石英鐘，再到原子鐘，精確度越來越高。

  如果說日晷、沙漏、水鍾是魯班尺，那麼機械鐘、石英鐘就是捲尺，原子鐘則是千分尺。

  而隨著科技的進步和發展，終於到二十世紀三十年代，科學家在研究原子和原子核的基本特性時發現，原子的振盪頻率準確性非常高，從而產生了利用原子的振盪頻率來製作時鐘的想法。

  於是在一九四八年，米嘓嘓家標準局利用氨分子的吸收譜線，建造了世界上第一台原子鐘。

  但受都卜勒效應影響，振盪器譜線太寬，其精確度並不比石英鐘高。為此，米嘓物理學家拉姆齊在一九四九年提出分離振盪場的方法，大大提高了精確度。

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  之後一九五五年，音嘓物理實驗室用銫元素唯一的穩定同位素銫一三三原子，成功研製出第一台銫束原子鐘，開創了實用型原子鐘的新紀元。

  到二十世紀末，科學家們對原子鐘的使用條件進行嚴格規定，並通過使用雷射冷卻和原子俘獲及更精密的雷射光譜等技術，大幅提高了原子鐘的精確度。

  而後進入二十一世紀，科學家們不但在原子鐘的準確度方面追求極致，還在原子鐘的微型化和節能化方面狠下功夫。

  這使新一代原子鐘實現了晶片級躍升，能耗也大大降低，從而在穩定性和精密性方面得到極大優化，並進入商業化推廣階段。

  而原子鐘一般運用在對時間精確度要求比較高的系統上。比如衛星導航系統，它主要利用測量時間來測距，最後達到導航定位的目的。

  時間測量，則主要依賴於衛星和地面站放置的原子鐘。原子鐘如同衛星導航系統的「心臟」，其精準與否直接影響衛星定位、測速和授時精度。

  衛星上常用的銣原子鐘，可做到幾十萬年只差一秒。即使如此之高的時間精度，也會讓衛星導航系統產生數米的定位誤差。

  當然由於衛星環繞藍星飛行的速度太快，所以就會照成相對論中的時間膨脹效應，讓原子鐘的實際時間變慢，所以為了不至於和地面時間偏差越來越大，因此衛星定位系統里的原子鐘都是和地面上的原子鐘經常性校準的。

  只有這樣才能保持衛星定位的精準程度，不至於誤差太大。

  然而被奉為最精準的原子鐘為何會受到速度的影響從而變慢，而這就得從原子鐘的製作以及運行原理解釋了。

  要知道，原子由中心的原子核及在核外沿特定軌道運行的電子組成。每個電子都有屬於自己固定的飛行軌道，當最外層電子從一個軌道跳變到另一個軌道時，能量就會發生改變，需要吸收或釋放電磁波。這個電磁波有一個確定的頻率，而且非常穩定。根據現在電子表原理，只要我們掌握了某種原子超精細能級之間所對應的電磁振盪頻率，就可用來精確計時了。所以，科學家用原子作節拍器，保持時間的高精度。

  而如何利用這個穩定的電磁波作為時間計量的鐘呢！

  早期的科研工作者們針對不同原子，研究出了不同對策。對於導航衛星上裝載的銣原子鐘，首先將銣原子團「囚禁」在一個密閉的真空氣室里，並用波長七百八十納米的光照射它，銣原子的最外層電子吸收光場的能量，跳變到另一個軌道，並自輻射到第三個軌道。

  當所有銣原子都完成這一步驟後，便不再吸收光子，也無法觀察到原子自發輻射產生的螢光了。之後，再用一個六點八吉赫茲的微波去照射這群原子，讓第三個軌道的電子重新回到第一個軌道。

  這時，可觀察到銣原子重新吸收七百八十納米的光子，並自發輻射出螢光。利用觀察到的螢光強弱，反饋回去糾正微波信號，就可得到高度穩定的微波頻率。這就是銣原子鐘的工作原理。

  地面上常用於時間保持的銫原子鐘，則完全採用不同策略。原子外層電子如果處在不同軌道，就會具有不同的磁矩，在非均勻磁場中，將會受到不同大小的磁力。

  先將銫原子加熱成氣體，並讓其穿過一個小孔變成銫原子束，然後再穿過一塊特定的磁鐵，處於不同軌道的原子就會發生不同角度的偏轉。

  這時，用一束九點二吉赫茲的微波去照射這些原子，讓某一特定角度偏轉的原子實現軌道跳變，最後再通過一個特定方向的磁鐵，讓發生跳變的這一部分原子剛好穿過另外一個小孔，並用傳感器去探測這一部分原子的數目，將其轉換成電信號，反饋回去控制微波源的頻率，得到穩定頻率的微波信號。

  有了這些穩定頻率的微波信號後，人們可通過電磁學手段，將其轉變成標準頻率，供科研、通信、工業等領域使用。

  也可利用電磁學手段，將這個頻率信號轉換成一系列間隔為一秒的脈衝信號，進而變為我們熟悉的時間信號「時、分、秒」進行輸出。這樣，我們就擁有了一台原子鐘。

  隨著雷射等技術手段的不斷成熟，除了傳統的銣鍾、氫鍾、銫鐘之外，還湧現出離子鍾、冷原子噴泉鍾、光鍾等新型原子鐘，精確度指標也在不斷刷新。目前，最好的光鍾精確度指標已進入十到十九量級。

  雖然原子鐘聽起來高深莫測的原子鐘，其實離人們的生活並不遙遠，已融入我們的生活中。

  因為除了定位導航外，原子鐘還被應用到全世界的時間保持和授時服務上。

  比如，我們所熟知的苝驚時間，就是整個藍星一百五十多台原子鐘共同守時並加權平均後的結果。

  各種物理學常數的測定，還有電力系統、通信系統，也都離不開高精度的原子鐘。

  否則，電網調節時間出現偏差，可能會導致電機故障，更加嚴重的甚至能讓電網崩潰，而各地交通體系時間有差異，可能會造成交通事故，以至於人員傷亡。

  (本章完)

  （還有更新耶）