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最准确的时钟——铯原子钟

时间在人们的日常生活中有着重要的地位，虽然它看不见摸不着，但任何事物的发展都伴随着时间的流逝。同样，在当今的物理学发展中，时间的重要性就不言而喻了。它用于描述事件之间的顺序，并常常与空间概念一起用于描述事物之间的存在状态，它与众多的科学和工程技术密不可分。因此，时间的计量就变得非常重要。怎样把时间的计量精确到尽可能高的精度是当今时间计量的重要课题之一。

时间的计量自古以来就是人们研究的重点，随着科学技术的发展，时间的计量器具主要有圭表、日晷、漏壶、浮子、漏箭、漏水浑天仪、停表刻漏、恒定水

时间的计量自古以来就是人们研究的重点，随着科学技术的发展，时间的计量器具主要有圭表、日晷、漏壶、浮子、漏箭、漏水浑天仪、停表刻漏、恒定水位漏、大称式刻漏、多壶式受水水位刻漏、赤道式日晷、擒纵机构、莲花漏、多壶漫流刻漏、皇佑刻漏、水运仪像台、地平式日晷、机械闹钟、秒表、沙漏、怀表、自摆钟、石英钟、原子钟、超冷铯原子钟。其中铯原子钟是几年来发展的一种新型的原子钟，是一种精密的计时器具。日常生活中使用的时间准到1分钟也就够了。但在近代的社会生产、科学研究和国防建设等部门，对时间的要求就高得多。它们要求时间要准到千分之一秒，甚至百万分之一秒。为了适应这些高精度的要求，人们制造出了一系列精密的计时器具，铯钟就是其中的一种。铯钟又叫“铯原子钟”。它的计量精度已经提升到了不可思议的地步，在物理学中发挥的作用也越来越重要。

铯原子钟的发展

二十世纪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。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，当时这个钟需要一个房间的设备，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。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。1967年，人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。1995年在法国研制成功的冷原子钟（铯原子喷泉），利用了“激光冷却和囚禁原子原理和技术”，使原子钟的水平又提高了一个数量级。目前，世界上只有法国、美国、中国、德国等少数几个国家研制成功。今天，名为NISTF-1的原子钟是世界上最精确的钟表，但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的时间和频率部内。1999年才建成的这座钟价值约为65万美元，可谓身价不菲。在2000万年内，它既不会少1秒也不会多1秒，其精度之高由此可见一斑。这架昂贵的时钟既没有指针也没有齿轮，只有激光束、

镜子和铯原子气。

铯原子钟的原理

铯原子钟的原理

铯原子钟的工作过程是铯原子象喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计

算更加精确。这个过程可以分割为四个阶段：

第一阶段

第一阶段

由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用6束相互垂直的红外线

激光（黄线）照射铯原子气，使之相互靠近而呈球状，同时激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。此时的铯原子气呈现圆球状气体云。

第二阶段

第二阶段

两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起，形成“喷泉”式的运动，

然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高，穿过一个充满微波的微波腔，这时铯原子从微波中吸收了足够能量。

第三阶段

第三阶段

在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出来。同时微波部分地改变了铯原子的原子状态。

第四阶段

第四阶段

在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的

强度进行测量。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。整个过程被多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这一点定义了用来