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一起了解关于原子钟的10个奇妙事实

原子钟
发布:2021-01-19 10:39:18     来源:新浪科技

两名游客在华盛顿特区的美国海军天文台参观原子钟

“原子钟”这个词可能会让人联想起20世纪50年代恐怖电影中的画面:一个穿着白大褂的疯子科学家建造了可怕的末日装置,上面的时钟正滴答滴答地走着,即将毁灭我们的整个星球。但实际上,相比其他与原子有关的发明——比如原子弹——原子钟可以说是相当“温和”。

不过,与原子弹不同的是,原子钟既不会分裂原子,也不会爆炸,而是使用原子振荡频率标准来计算并保持时间的准确。由于原子振荡所涉及的时间单位非常小(如铯原子的振荡频率为每秒9,192,631,770个周期),而且异常稳定,以这种振荡来估算时间的时钟要比老式时钟准确得多。

自20世纪40年代发明以来,原子钟已经成为现代世界的重要工具之一,使得电视广播、互联网和全球卫星定位系统等复杂系统之间的时间同步成为可能。不过,尽管原子钟已经成为我们生活中不可或缺的一部分,但它仍然有点神秘。以下就是关于这些精密设备的10个奇妙事实。

1 原子钟改变了我们计算常规时间单位的方式

几千年前,当人类开始追踪时间的流逝时,主要依靠观察太阳在天空中的运动——实际上是由地球的自转引起的——并以此为基础来确定单位时间。例如,传统上1秒钟就被定义为平均太阳日的1/86400(在一些天文及法律的定义中仍然适用)。

然而,随着原子钟的出现,人们发现它比地球本身的运动要可靠得多,因此单位时间的标准有必要做出改变。1967年,秒被重新定义为同位素铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射振荡9,192,631,770个周期所需要的时间。

2 原子钟使用每个铯原子中的一个电子来计时

电子绕着原子的中心运转

正如前面所解释的,电子绕原子的中心运行,而这个中心就是原子核。想象一个极小的太阳系,有很多行星围绕着太阳转,就相当于大致的原子结构。物理学家发现,电子的运动极为规律——它们往往停留在一个狭窄的轨道范围内,与原子核的距离取决于它们在某一特定时刻发出的辐射。电子进入的最低轨道和最高轨道之间的距离就是频率。

以用于原子钟的铯为例,科学家只关注该元素55个电子中的一个,即最外层的那个电子,它所占据的轨道明显高于其他电子。最外层电子离原子核最近的轨道和它离原子核最远的轨道之间的能量差相当于9,192,631,770个周期的辐射频率。科学家们就是以此来估算时间,并将时间分解为不到十亿分之一秒的极短单位。

3 原子钟现在已经非常可靠,但最初的原子钟并非如此

1948年,美国国家标准局(现为美国标准技术研究所)建造了世界上第一台原子钟。不过,这台原子钟使用的不是铯原子,而是被加热后从铜管中射出的氨原子。尽管这台“氨微波激射器”证明了原子钟的概念是可行的,但它从未真正用于计时。它每4个月的误差大约1秒,比现有的石英钟技术还更不可靠。石英钟是一种基于电荷作用下石英晶体振动的精确时钟技术。

最终,科学家转而使用振荡更短的铯,并通过各种方式改进了设计。1959年的一台原子钟模型成功地使时间误差达到每2000年误差1秒;到1964年,原子钟已经变得极为精确,需要6000年时间才能达到加减1秒的误差。今天,最先进的原子钟可以达到数亿年时间内误差不超过1秒的标准。

4  铯,用于原子钟的东西,是一种奇怪的元素

 

德国科学家罗伯特·威廉·本生,拍摄于1870年左右

铯元素是1860年由德国化学家罗伯特·本生发现的,他是高中化学中常见的高温加热工具本生灯的发明者。在20世纪90年代早期,铯的奇妙性质甚至激发一些人在网络上创建了一个名为“Alt.cesium”的新闻组,致力于“讨论、赞美、敬奉、崇拜和发布关于这种最崇高元素的歌曲、诗歌、故事和寓言”。铯通常被称为“另一种金色金属”,它是三种不呈灰色或亮银色的金属之一(另外两种是金和铜)。

在自然界中能发现的铯同位素是铯-133,这也是唯一稳定的铯同位素,但很难找到其确切分布。产量最大的铯-133天然来源是一种稀有的矿物质,称为铯沸石(pollucite)。尽管铯是一种金属,但它可以在非常低的温度下熔化,熔点仅为28.4摄氏度,是少数在接近室温条件下为液态的金属元素之一。当铯接触到冷水时会发生爆炸反应。在空气中,铯有时会自发燃烧,出现明亮的天蓝色火焰。

5 原子钟的计时实际上用的是一大块石英,而不是单个铯原子

奥马尔·布拉德利将军(1893—1981)是美军二战期间的主要指挥官,他正在展示一台由他的公司生产的石英钟,下方是一台原子钟

你可能会对这一点感到困惑,因为前面已经说明了原子钟是利用了铯的振荡才变得更加精确。但在原子钟内部,真正计时的部分是一个标准的石英晶体振荡器,它将一块晶体置于电流中,使其振荡。不同之处在于,在大多数普通的石英钟中,振荡器在制造过程一开始就被精确调整,之后就不会检查或调整它的频率,这意味着随着时间的推移,轻微的变化也会使石英钟变快或变慢。然而,在原子钟中,铯的振荡可以检查石英晶体装置的频率,从而保持惊人的计时准确性。

6 2008年,地球上的每个原子钟都同时增加了一秒

2008年12月31日晚7点前,科学家们将世界各地的原子钟都提前了一秒,以使基于原子时秒长的协调世界时(UTC)与地球自转同步。这并不是原子钟的问题,而是地球的自转会每天大约减慢两毫秒,原因包括空间尘埃、磁场风暴、太阳风、大气层阻力等,最重要的是月球对地球的引力作用。

世界各地的原子钟会定期重置,以确保与协调世界时保持同步

所有这一切造成的影响就是太阳日的延长,并使其稍稍偏离超级精确的原子钟。这种差异需要几百年的时间才能显现出来,但为了防止这种情况发生,1972年的一项国际协议规定,原子钟将定期与协调世界时同步调整。

7 用原子钟证明时间在海拔越高的地方过得越快

住在山上的人比住在海滩上的人衰老得更快,这听起来有些荒谬,但却是事实。这个概念最早是一个世纪前由物理学家爱因斯坦提出的,他的狭义相对论假设时间不是常数,而是相对的。2010年,美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家周清文和同事进行了一项实验,以验证爱因斯坦的推理。他们将两个原子钟分别放置在海平面上方相隔30厘米的地方,发现位置更高的原子钟运行的速度越快。当然,从实际数值来看差别并不明显;根据周清文的说法,在79年的生命中,山上的居民会多衰老约900亿分之一秒。

8 科学家利用激光束使原子钟更精确

原子钟本质上是用微波轰击铯原子,激发一些可以被科学家测量的现象。传统原子钟的局限性在于,微波只能捕捉到一小部分铯原子,而通过将原子置于激光束中——这个过程被称为激光抽运(laser optical pumping)——就可以减慢原子的速度,使微波有更多的机会击中它们,从而产生了更精确的信号,使科学家能够使用铯原子振荡来更准确地标记时间。奇怪的是,这一过程也会冷却铯原子,甚至能低至开尔文温标的百万分之一度,几乎就是绝对零度。

 

随着科技的发展,原子钟正变得越来越精确  

9 原子钟让你的电话交谈更加容易

如今,电信公司以数据包(packet)的形式来传输语音,这使他们能够在同一时间通过电话线传输大量的通话。当你给另一个城市的人打电话时,你的语音会被分解并在两端的计算机之间传输,一个对话与另一个对话之间会来回往复,每秒钟可达数千次。然而,要实现这一切,两台计算机必须保持完美的同步,否则通话就会变得混乱,听起来像是胡言乱语。这就是现在的电信公司都配有原子钟的原因——保持计算机之间的时刻几乎完全同步。

10 下一代原子钟保持精准的时间或许能与宇宙年龄相当

科学家们一直在构思使原子钟越来越精确的方法。美国佐治亚理工学院和内华达大学的研究人员取得了一个令人兴奋的进展。用极其简化的术语来说,他们想用激光来重新排列原子的各个部分,从而利用一个绕轨道运行的中子(而不是电子)作为“钟摆”。结果可能就是一个比现在任何时原子钟都精确上百倍的时钟,据估计到140亿年后只损失或增加不到二十分之一秒。

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