微观世界中原子振动给计时科技带来了什么？
出品：中国科普博览 作者：中国科学院国家授时中心 徐琴芳
时间，是表征物质运动的最基本物理量，它以其完美的线性和连续性展示着客观世界的变化。时间标准是人类在探索和研究自然界中物质和运动变化的标尺，而计时也就伴随人类的发展需要所创立。
1820年人类依据地球自转周期第一次科学的定义了秒长——平太阳秒，地球自转一圈是一天，也就是等于86400秒，因此1天的86400分之一就被定义为1秒。但由于地球自转频率不稳定，直接受潮汐等自然现象的影响，其精度是3年差1秒。为了寻找更稳定的时间计量单位，1960年，利用地球公转周期导出了时间基本单位——历书秒，其精度是30年差1秒。历书秒使用紧7年后，人类发现了更稳定周期性运动——原子的振荡周期，即根据原子跃迁时发射或吸收电磁波的周期导出时间基本单位，定义出原子秒，1967年原子秒取代了历书秒。在人类科技文明发展的长河中，人们对时间的计量历经了日晷、沙漏、水钟、机械钟、航海钟、石英钟、再到目前的原子钟，其计时的精度也在不断的改进和提高。原子钟的出现成为人类计时史上的一次重大革命，它使得计时标准从天文学的宏观领域转向了物理学的微观领域，历史从此由“天文秒”时代进入“原子秒”时代，开启了人类时间测量的崭新阶段。第13届国际计量大会决定铯-133原子基态超精细跃迁振荡的9192631770个周期所保持的时间作为时间单位“秒”的定义。
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1.什么是原子钟？
讲到原子钟，就得先从原子结构说起，我们知道原子是由原子核和核外电子组成，核外电子处在原子核外分立的轨道上，打个形象但不太准确的比喻，原子核就像是太阳系中的太阳，而周围排布的电子就像是行星。但跟太阳系有不同之处，电子获得能量或失去能量时电子只能从一个轨道跃迁到另外一个轨道，绝对不会停留在两个轨道之间的某个位置。原子内部分立的能态在一定频率电磁波作用下电子会产生跃迁，且该跃迁是原子的固有共振频率，不会受到外界影响。于是，科学家们就利用这种原子中电子能级跃迁时的共振频率作为精确的时间标准，即原子钟是以原子共振频率作为标准时间频率信号的产生装置。物理学家叶军说过“原子钟说到底就是利用原子中电子轨道做的原子单摆”。
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2.原子钟、微波钟与光钟有什么区别？
原子钟在测量时间频率时，它的“尺子”就是原子共振时发出的波长，原子的共振波长可以覆盖从微波波段、光学波段到X射线波段，因此以原子的微波波段共振频率作为时间频率基准的原子钟就是微波钟（例如熟知的铯原子喷泉钟）。同理，以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准的原子钟自然就称为光钟（例如锶原子光晶格钟）。所以实际上微波钟和光钟都属于原子钟。
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NIST（美国国家标准技术局）的铯喷泉基准钟
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NTSC（中国科学院国家授时中心）的锶原子光钟系统
由于微波钟和光钟工作的频段不一致，当然其精度也就不一样了。共振频率越小、波长越短意味着“尺子”的刻度越精细，对时间的度量也就越精确。光钟里原子共振的波长要比微波钟里的波长短5个量级，因此光钟有着比微波钟更高的精度。微波钟的精度在10-16，目前，世界上最精确的原子钟——锶原子光晶格钟，其精度已经达到-18量级，这个量级是个什么概念？换句话说即160亿年才产生一秒的误差。我们知道宇宙的寿命是150亿年，如果说让这台锶原子光晶格钟，从宇宙诞生之初就开始“滴答滴答”的走动，那么直到今天该原子钟也不会产生一秒的误差。真是一山还比一山高啊！有报道称，国际计量权威组织根据光频标等新一代频标技术的发展趋势，有可能在2019年重新讨论“秒”的定义，锶原子光钟极有可能成为下一代的时间频率基准。
3.高精度的钟给人类的生活与科技带来了什么？
在日常生活中，时间精确到秒足以满足我们所需，但是对于其他方面，比如体育竞技赛事中百分之一秒的差距就决定胜负，炮弹在发射过程中是在千分之一秒内发生的, 时间测量要精确到0.001秒; 雷达技术需要知道的是百万分之一秒的时间精度。在人类在探索更深层次的自然规律、进行基础科学研究的过程中，则更需要高精度的时间保障。在国际单位制（SI）中，7个基本物理量分别为：长度米，时间（频率）秒，质量千克，电流安培，热力学温度开尔文，物质的量摩尔和发光强度坎德拉。其中，时间频率作为所有物理量及物理常数中测量准确度最高的计量基本单位，并决定着其它许多物理量及基本物理常数的定义及精度。长度基本单位米、电学重要单位伏特都直接以频率定义，其它许多物理量都可以转化成时间频率来加以测量。比如科学家们在测量地球与月球之间距离时，要保证几个厘米的误差，就要求时间的测量精度达到10-10量级；再如里德堡常数的测量、精细结构常数α的稳定性测量、朗德因子g的测量、引力红移的测量、引力波探测等，其精度都直接取决于时间频率的测量精度。爱因斯坦的相对论, 也是在有了原子钟后才被验证是正确的。
时间频率基准的精度是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一。高精度时间频率标准在全球定位系统、精确打击武器、信息高速公路等方面起着关键的作用。目前，时间标准已经被广泛地应用到北斗导航系统、GPS导航系统、天文导航、大地测量、高速数字通信、基础研究等领域。高精度的原子钟为国防，军事，乃至国际安全提供了高精度的时间保障。
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由此可见，微观世界里一个小小的原子振动，能给人类带来时间计量科技中令人叹为观止的极限精度，为人类探索自然规律，解读宇宙奥秘过程中提供高稳定度、高精度的时间保障。在我们生活与工作中，同样不能忽略一个小我的作用，只要找准了自己的频率，你也可以在人生的轨道上发生跃迁，爆发你的能量小宇宙。2016我们继续起航，涂写出一幅人生的美丽画卷。
感想
原来时间的计量走过如此复杂的路~计时的最小单位——秒，越精确越能说明人类的进步；没想到精确的计时还会影响国家的各个方面的实力，跟全球定位系统和火箭发射还密切相关~不过 这个真的是绝对不变且稳定的计时方式吗~希望能进一步验证并确定~
