未来的计时技术 - 真空技术对光学原子钟至关重要

未来的计时技术 - 真空技术对光学原子钟至关重要

包含自由漂浮原子的真空腔是当今最精密的时间测量仪器的核心。激光脉冲功能作为最新一代原子钟的时间测量发生器。它们的精准度极高。
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什么是时间?物理学家和哲学家都无法回答这个问题。但这并不妨碍人们将时间划分为一个个小片段,并尽可能精确地测量它。古老的日晷或中世纪的机械钟等计时工具,是我们曾使用的时间测量方法的重要发展阶段。17 世纪,数学家、物理学家克里斯蒂安 惠更斯取得了一个重要的技术成就。他发明的摆钟首次将时间精确划分为时、分和秒。自此以后,越来越精确的计时工具被人们研制出来。今天,铯原子钟作为官方世界标准时间的参考基准,每三千万年的误差仅为 1 秒。

铯原子钟记录世界时间

这些现代钟表没有钟摆或指针, 而是使用铯原子"记录"时间的流逝。这些铯原子被加热至汽化,然后置于高真空管中。低压确保原子不会相互碰撞,并以高能量通过真空腔。然后,这些原子会受到微波辐射。合适的频率(物理学家称之为共振频率)会改变一些原子的能量状态。它们会被"激发",并由探测器为它们计数。

现在调整微波频率,使最大数目的铯原子能量状态发生相应变化。此数量在 9,192,631,770 赫兹下(即每秒振荡超过 90 亿次)趋于稳定。相反,当到达此数字时,即过去一秒。这就是 SI 国际单位制中定义一秒的长度的基础。

精准度甚至高于激光
除了铯辐射钟之外,铯喷泉钟也被用来作为今天世界时间的参照时钟。在这类时钟中,铯原子就像喷泉一样被引入真空腔中,然后再被微波辐射。由于原子的共振频率可以更精确地使用此技巧来确定,所以喷泉钟每四千万年的误差仅为 1 秒。 

而使用锶或镱原子的光学原子钟就更精准了。在这类时钟中,原子不是用微波而是用激光在超高真空中被激发。当一个原子改变其能量状态时,光的频率可以作为一秒的长度参照。频率越高,电子跃迁频率越快,时间就可以被划分为更小的间隔。光学原子钟"滴答"的速度比铯原子钟快得多,因此测得的时间间隔也更精确。它们可能会成为世界时间的新计时工具,因此有必要重新定义广为人知的时间单位:一秒。不管此过程如何,所有类型的原子钟都需要为参考原子准备一个真空腔。


几乎没有人意识到,原子钟早已设定了我们日常生活的节奏,例如无线电控制时钟以及火车站时钟的时间设置。如果没有原子钟,GPS 系统将无法确保可靠的导航:GPS 接收器,比如车载导航系统,不断记录来自 GPS 卫星的信息,这些卫星能够传输各自的位置和时间。接收器使用来自三颗卫星的数据,通过计算传输信号与接收信号之间的差异来查找准确的位置。百万分之一秒的偏差就会使读数产生 300 米的误差。

原子钟对于同步高速数据网络同样非常必要。长距离的光纤玻璃传输线必须非常精确地协调发送和接收,以防止数据混乱。

此外,测地应用和基础研究也需要超精确的时间测量。最新一代原子钟能够帮助测量爱因斯坦关于时间如何被地球引力拉伸的假设,或许还可以帮助我们找到暗物质。


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