第七百二十七章:原子钟的原理

  很显然,这个当然不能这么算了!毕竟这是受到气压的影响,和时间快慢本身又有什么关系呢!

  所以当速度变快之后,飞船上,或者卫星上用来计时的原子钟会不会也会出问题呢!

  就如同那个利用滴水来计时的计时器会受到气压影响一样。

  因此速度变快之后是不是也会影响原子钟的计数呢!从而让人错误的认为这是时间变慢所导致的。

  要知道,为了准确计量时间,随着时代发展,时间计量工具在不断更新换代,从日晷、沙漏、水钟,到机械钟、石英钟,再到原子钟,精确度越来越高。

  如果说日晷、沙漏、水钟是鲁班尺,那么机械钟、石英钟就是卷尺,原子钟则是千分尺。

  而随着科技的进步和发展,终于到二十世纪三十年代,科学家在研究原子和原子核的基本特性时发现,原子的振荡频率准确性非常高,从而产生了利用原子的振荡频率来制作时钟的想法。

  于是在一九四八年,米家标准局利用氨分子的吸收谱线,建造了世界上第一台原子钟。

  但受多普勒效应影响,振荡器谱线太宽,其精确度并不比石英钟高。为此,米物理学家拉姆齐在一九四九年提出分离振荡场的方法,大大提高了精确度。

  之后一九五五年,音物理实验室用铯元素唯一的稳定同位素铯一三三原子,成功研制出第一台铯束原子钟,开创了实用型原子钟的新纪元。

  到二十世纪末,科学家们对原子钟的使用条件进行严格规定,并通过使用激光冷却和原子俘获及更精密的激光光谱等技术,大幅提高了原子钟的精确度。

  而后进入二十一世纪,科学家们不但在原子钟的准确度方面追求极致,还在原子钟的微型化和节能化方面狠下功夫。

  这使新一代原子钟实现了芯片级跃升,能耗也大大降低,从而在稳定性和精密性方面得到极大优化,并进入商业化推广阶段。

  而原子钟一般运用在对时间精确度要求比较高的系统上。比如卫星导航系统,它主要利用测量时间来测距,最后达到导航定位的目的。

  时间测量,则主要依赖于卫星和地面站放置的原子钟。原子钟如同卫星导航系统的“心脏”,其精准与否直接影响卫星定位、测速和授时精度。

  卫星上常用的铷原子钟,可做到几十万年只差一秒。即使如此之高的时间精度,也会让卫星导航系统产生数米的定位误差。

  当然由于卫星环绕蓝星飞行的速度太快,所以就会照成相对论中的时间膨胀效应,让原子钟的实际时间变慢,所以为了不至于和地面时间偏差越来越大,因此卫星定位系统里的原子钟都是和地面上的原子钟经常性校准的。

  只有这样才能保持卫星定位的精准程度,不至于误差太大。

  然而被奉为最精准的原子钟为何会受到速度的影响从而变慢,而这就得从原子钟的制作以及运行原理解释了。

  要知道,原子由中心的原子核及在核外沿特定轨道运行的电子组成。每个电子都有属于自己固定的飞行轨道,当最外层电子从一个轨道跳变到另一个轨道时,能量就会发生改变,需要吸收或释放电磁波。

  这个电磁波有一个确定的频率,而且非常稳定。根据现在电子表原理,只要我们掌握了某种原子超精细能级之间所对应的电磁振荡频率,就可用来精确计时了。所以,科学家用原子作节拍器,保持时间的高精度。

  而如何利用这个稳定的电磁波作为时间计量的钟呢!

  早期的科研工作者们针对不同原子,研究出了不同对策。对于导航卫星上装载的铷原子钟,首先将铷原子团“囚禁”在一个密闭的真空气室里,并用波长七百八十纳米的光照射它,铷原子的最外层电子吸收光场的能量,跳变到另一个轨道,并自辐射到第三个轨道。

  当所有铷原子都完成这一步骤后,便不再吸收光子,也无法观察到原子自发辐射产生的荧光了。之后,再用一个六点八吉赫兹的微波去照射这群原子,让第三个轨道的电子重新回到第一个轨道。

  这时,可观察到铷原子重新吸收七百八十纳米的光子,并自发辐射出荧光。利用观察到的荧光强弱,反馈回去纠正微波信号,就可得到高度稳定的微波频率。这就是铷原子钟的工作原理。

  地面上常用于时间保持的铯原子钟,则完全采用不同策略。原子外层电子如果处在不同轨道,就会具有不同的磁矩,在非均匀磁场中,将会受到不同大小的磁力。

  先将铯原子加热成气体,并让其穿过一个小孔变成铯原子束,然后再穿过一块特定的磁铁,处于不同轨道的原子就会发生不同角度的偏转。

  这时,用一束九点二吉赫兹的微波去照射这些原子,让某一特定角度偏转的原子实现轨道跳变,最后再通过一个特定方向的磁铁,让发生跳变的这一部分原子刚好穿过另外一个小孔,并用传感器去探测这一部分原子的数目,将其转换成电信号,反馈回去控制微波源的频率,得到稳定频率的微波信号。

  有了这些稳定频率的微波信号后,人们可通过电磁学手段,将其转变成标准频率,供科研、通信、工业等领域使用。

  也可利用电磁学手段,将这个频率信号转换成一系列间隔为一秒的脉冲信号,进而变为我们熟悉的时间信号“时、分、秒”进行输出。这样,我们就拥有了一台原子钟。

  随着激光等技术手段的不断成熟,除了传统的铷钟、氢钟、铯钟之外,还涌现出离子钟、冷原子喷泉钟、光钟等新型原子钟,精确度指标也在不断刷新。目前,最好的光钟精确度指标已进入十到十九量级。

  虽然原子钟听起来高深莫测的原子钟,其实离人们的生活并不遥远,已融入我们的生活中。

  因为除了定位导航外,原子钟还被应用到全世界的时间保持和授时服务上。

  比如,我们所熟知的惊时间,就是整个蓝星一百五十多台原子钟共同守时并加权平均后的结果。

  各种物理学常数的测定,还有电力系统、通信系统,也都离不开高精度的原子钟。

  否则,电网调节时间出现偏差,可能会导致电机故障,更加严重的甚至能让电网崩溃,而各地交通体系时间有差异,可能会造成交通事故,以至于人员伤亡。

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