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原子钟的发现史

时间:2020-08-03 10:25:29编辑:哲振


目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。

由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

直到上世纪20年代,最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的,这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。即使如此精确,但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。

根据爱因斯坦的理论,在引力场内,空间和时间都会弯曲。因此,在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟,比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

NIST F-1原子钟,它由170个元器件组成,其中包括透镜,反射镜和激光器。位于中部的管子高1.70米,铯原子在其中上下移动,发出极为规则的“信号”。

上世纪30年代,美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果,使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。

在拉比设想的时钟里,处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场,场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近,原子从电磁场吸收的能量就会越多,并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。

反馈回路可调节振动场的频率,直到所有原子均能跃迁。原子钟就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲,目前,振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。1949年,拉比的学生拉姆齐提出,使原子两次穿过振动电磁场,其结果可使时钟更加精确。1989年,拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖。

二战后,美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布,要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的,但这个钟需要一个房间的设备,所以实用性不强。

另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟,这种原子钟非常精确,足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用。

研制过程中,扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟,可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年,他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟,并在四年内售出50个,如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。



到了1967年,关于原子钟的研究如此富有成效,以至于人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。如今的原子钟极其精确,其误差为10万年内不大于1秒。

历经数年的努力,三种原子钟――铯原子钟、氢微波激射器和铷原子钟(它们的基本原理相同,区别在于元素的使用及能量变化的观测手段),都已成功的应用于太空、卫星以及地面控制。现今为止,在这三类中最精确的原子钟是铯原子钟,GPS卫星系统最终采用的就是铯原子钟。

2010年2月,由美国国家标准局研制的铝离子光钟已达到37亿年误差不超过1秒的惊人水平,成为世界上最准的原子钟。

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