“原子钟让计时精度走向极限”

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根据原子物理学的基本原理，原子从能量状态转移到低能状态时，就会发射电磁波。 同一原子的电磁波特征频率一定，可以作为保持高精度时间的节拍器使用。

原子钟利用与原子的电磁波特征频率保持同步作为产生时间脉冲的节拍器。

年末，《自然》杂志刊登了来自美国麻省理工学院研究人员的成果报道。 这些研究者利用量子纠缠现象重新设计原子钟，工作约140亿年(现在宇宙的年龄)，其原子钟就能保持十分之一秒以内的时间精度。 在同一时间范围内，迄今为止最先进的原子钟的偏差为半秒左右。

人类意识到时间的经过后，利用周期性现象开始跟踪。 在古代，人们注意太阳、月亮在天空上的运动来评价时间的运行，但是随着科学技术的飞速发展，人类测量时间的手段也越来越先进。 15世纪，基于摆锤和发条的擒纵机诞生，成为现代机械表的核心，利用石英的周期振动进行计时的钟表出现了。 此后，原子钟的出现成为人类计时史上的重大革命，它使计时标准从天文学宏观行业转向物理学微观行业，历史从天文秒时代进入原子秒时代，开辟了人类时间测量的新阶段。 人类对时间的测量和跟踪越来越接近宇宙的本源。

在跟踪原子振动测量时间的

生活中，经常分分秒秒进行计时，在当前的太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等行业中，需要更精密的时间测量。 时间经常精确到万分之一秒，甚至百万分之一秒。 为了满足要求，诞生了多个精密的计时器，原子钟就是其中之一。

原子钟被誉为世界上最准确的钟表仪器，使用着最准确的时间测量和频率基准，也被认为是国际时间和频率变换的基准，被广泛用于控制电视广播和全球定位系统卫星的信号传播。 原子钟的研制涉及量子物理学、电气、结构力学等多个学科，目前国际上只有少数国家具有独立的研制能力。 根据

原子物理学的基本原理，原子根据原子核周围不同电子层的能量差，吸收或发射电磁能。 当原子从能量状态转移到更低的能量状态时，会发射电磁波。 该不连续电磁波的频率是所谓的共振频率。 同一原子的谐振频率一定的例如铯133的谐振频率为每秒9192631770周。 原子钟使用激光测量原子的共振频率，实现准确的计时。

为了追求几乎完美的时间测量，原子钟必须跟踪每个原子的振动。 但是根据量子力学定律，测量时，原子振动的行为就像掷硬币一样，只需要通过多次反演取得平均值就可以给出比较稳定的数值，这被物理学家称为标准量子极限。 因此，今天的原子钟是为了测量千万个相同种类的原子组成的气体，估计平均振荡频率而设计的。

原子钟的类型有多种，但其背后的原理大致相同。 目前最常见的原子钟采用的原子是氢、铯、铷等碱金属原子。 但是，元素周期表中有100多种元素。 为什么科学家对这种原子情有独钟？

这是因为碱金属原子内部只有一价电子，理论模型比较多价电子系统简单。 科学家在长时间的实验中发现，碱金属原子中铯原子钟最稳定，误差低至2000万年1秒的水平。

铯原子钟采用铯原子束，通过磁场分离能级不同的铯原子，将高稳定性铯振荡器和gps的高精度授时、频率测量和时间同步技术有机结合，使铯振荡器的输出频率顺应gps卫星铯原子钟信号 众所周知，可以提高频率信号的长时间稳定性和准确性，提供钟表级的高精度时频基准，作为通信等部门替代的广电钟表的性价比

氢原子钟将氢原子保持在周围由特殊材料制成的容器中，是氢原子所需的能量来源 虽然不会迅速失去较高的能量状态，但环境温度变化和微波谐振器的劣化会引起输出频率的变化，降低氢原子钟的长时间性能，因此可以使用自动调谐器使谐振器的频率始终在所需的频率下工作，使用新的温度控制系统来改善氢原子

铷原子钟是全原子钟中最简单、结构紧凑的一种，采用装有铷气体的玻璃空腔，铷气体在周围微波频率正好符合利益时，会根据铷原子的振荡频率发生光吸收率的变化 铷原子钟跟踪gps卫星的铯原子钟，几乎没有输出频率的漂移，性能接近铯原子钟，不像铯原子钟那样铯束管寿命短，需要高价更换。 在

量子纠缠大大提高了计时精度的

中，原子钟是如何产生的呢？

1945年，美国哥伦比亚大学物理学教授伊西拉比提出，可以使用1930年代开发的原子束磁共振技术制造钟表。 1949年，美国国家标准技术研究院( nist )前身美国国家标准局发表了世界上第一台以氨分子为振动源的原子钟。 1952年，nist发表了第一台以铯原子为振荡源的原子钟nbs-1。

1955年，英国国家物理实验室作为校准源制造了第一台仪表。 1967年，第13届度量衡大会根据铯原子的振动定义了一秒钟，从此，全世界的钟表系统抛弃了天文历法，进入了原子时时代。 建于1968年的nbs-4是当时世界上最稳定的铯原子钟，20世纪90年代作为nist授时系统的一部分使用。

nist最新的铯原子钟nist-f1每年可以保持约三百亿分之一秒的时间精度。 这是nist建造的一系列仪器中的第八个，也是nist按照喷水原理运动的第一个仪器。

一般原子钟用激光将数千个原子封闭在一个光学陷阱中，用另一频率与被测原子的振动频率相似的激光检测它们。

用经典物理学定律不可能的方法将原子关联起来，使科学家能够更准确地测量原子的振动。 麻省理工学院的研究小组认为，如果原子纠缠在一起，它们的单一振动会在共同的频率附近收紧，比没有纠缠的偏差要小。 这是因为原子钟能够测量的平均振动具有超过标准量子极限的精度。

研究者们纠缠着约350个镱原子，该元素比每秒钟通常原子钟使用的铯原子的振荡频率高10万倍。 该小组利用标准技术冷却和捕获原子，并将其封闭在由两个反射镜形成的光学腔中。 然后，他们通过激光腔发出激光，在反射镜之间反射，与原子反复相互作用，相互缠绕。 这样，研究人员将原子缠绕在一起，使用另一种激光(如现有原子钟)测量振动的平均频率。 研究发现，与不纠缠原子的类似实验相比，纠缠原子的原子钟达到了所需精度的4倍。

对宇宙解码和生活服务都有帮助

我们与生活中常见的闹钟、手表等计时器不同，在日常生活中不太能列出原子钟的真实身份。 事实上，原子钟是高级接地的。 之所以说它是上一级，是因为它可能有助于解密宇宙中神秘的信号。之所以说它接地，是因为如果没有它的帮助，手机导航会带你多一点。

卫星定位系统都是通过获得卫星和客户端接收机之间的距离来计算的。 距离乘以光速。 的准确距离测量实际上是准确的时间测量。 如果没有高精度的时频，卫星定位系统就无法实现高精度的导航和定位。 的毫秒错误千里，就是原子钟大显身手的地方。

由于重力影响时间的推移，接近海面的钟表实际上比珠穆朗玛峰的钟表要慢，这意味着物理学家可以使用原子钟测量地球的形状、大小、地球重力场等，是被称为大地测量学的科学行业。

为了提高测量精度，天文学家开始将设施同步到单一准确的时间基准上。 该同步涉及多个天文台联合拍摄单一望远镜无法识别的物体，将改进被称为超长基线干涉法的天文拍摄技术。 例如，天文学家今年早些时候使用这项技术拍摄了黑洞的第一张图像。 更好的时间同步可以实现更高分辨率的图像，因为原子钟需要帮助。

另外，如果原子钟能够更准确地测量原子的振动，就有足够的灵敏度检测暗物质、引力波等现象。 有了更好的原子钟，科学家们可以回答一些令人费解的问题，比如重力可能会对时间的流逝产生什么样的影响，时间本身是否会随着宇宙的老化而变化等。 (记者冯卫东)

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