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未來的計時技術-真空技術對光學原子鐘至關重要

成都中科唯實
2018-09-03更新
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摘要: 包含自由漂浮原子的真空腔是當今最精密的時間測量儀器的核心。激光脈沖功能作為最新一代原子鐘的時間測量發生器。它們的精準度極高。  什么是時間?物理學家和哲學家都無法回答這個問題。但這并不妨礙人們將時間劃分 ...


       包含自由漂浮原子的真空腔是當今最精密的時間測量儀器的核心。激光脈沖功能作為最新一代原子鐘的時間測量發生器。它們的精準度極高。



什么是時間?物理學家和哲學家都無法回答這個問題。但這并不妨礙人們將時間劃分為一個個小片段,并盡可能精確地測量它。古老的日晷或中世紀的機械鐘等計時工具,是我們曾使用的時間測量方法的重要發展階段。17 世紀,數學家、物理學家克里斯蒂安 惠更斯取得了一個重要的技術成就。他發明的擺鐘首次將時間精確劃分為時、分和秒。自此以后,越來越精確的計時工具被人們研制出來。今天,銫原子鐘作為官方世界標準時間的參考基準,每三千萬年的誤差僅為 1 秒。

銫原子鐘記錄世界時間

這些現代鐘表沒有鐘擺或指針, 而是使用銫原子"記錄"時間的流逝。這些銫原子被加熱至汽化,然后置于高真空管中。低壓確保原子不會相互碰撞,并以高能量通過真空腔。然后,這些原子會受到微波輻射。合適的頻率(物理學家稱之為共振頻率)會改變一些原子的能量狀態。它們會被"激發",并由探測器為它們計數。

現在調整微波頻率,使最大數目的銫原子能量狀態發生相應變化。此數量在 9,192,631,770 赫茲下(即每秒振蕩超過 90 億次)趨于穩定。相反,當到達此數字時,即過去一秒。這就是 SI 國際單位制中定義一秒的長度的基礎。

精準度甚至高于激光

除了銫輻射鐘之外,銫噴泉鐘也被用來作為今天世界時間的參照時鐘。在這類時鐘中,銫原子就像噴泉一樣被引入真空腔中,然后再被微波輻射。由于原子的共振頻率可以更精確地使用此技巧來確定,所以噴泉鐘每四千萬年的誤差僅為 1 秒。

而使用鍶或鐿原子的光學原子鐘就更精準了。在這類時鐘中,原子不是用微波而是用激光在超高真空中被激發。當一個原子改變其能量狀態時,光的頻率可以作為一秒的長度參照。頻率越高,電子躍遷頻率越快,時間就可以被劃分為更小的間隔。光學原子鐘"滴答"的速度比銫原子鐘快得多,因此測得的時間間隔也更精確。它們可能會成為世界時間的新計時工具,因此有必要重新定義廣為人知的時間單位:一秒。不管此過程如何,所有類型的原子鐘都需要為參考原子準備一個真空腔。 


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