原子钟

1955年第一个原子钟

距离，速度，甚至没有形态的声音，都是可以“测量”的，但时间以神秘的方式在“流逝”，看不见摸不着却又似乎静止不动，并不像距离和速度那么好理解，所以，精确的测量时间不仅仅是为了哲学原因，而是科学的。

第一个铯原子钟的原理图

数千年前，这一切都是以最简单的观察开始的，如重复的昼夜，或周期性的季节，周期性的重复都比较容易发现规律，如星期，月份，小时和秒，准确量化就更具挑战性了。

根据定义，时间是从过去到现在到未来不可逆转的、连续发生、无限期的、持续存在的进程和事件，而时间的可操作定义来自于一定重复数量的观察周期性事件（如摆锤），这反而构成一个标准单位。换句话说，为了测量时间，我们需要把它分成同样长度的重复的“事物”，然后计量这个所谓的“事物”。

Isidor Isaac Rabi——获得诺贝奖的物理学家

“秒”被定义为平均太阳日的1/86,400，但地球旋转中的不规则使得时间的测量非常不精确。我们想要保持更准确的时间，我们必须将它们分解成更小、更一致的重复部分。

利用原子跃迁来测量时间的想法，是由Kelvin爵士于1879年提出的，但从想法到实现，经历了漫长的等待，磁性在这个理论中也发挥了重要的作用，上图中的Isidor Rabi进一步发展了磁共振的理论，原子束磁共振将可能被用作时钟的基础。

氨原子钟

美国国家标准局（NBS，现在的NIST）在1949年制造了一个原子钟，也许并不奇怪，它还没有现在的石英钟精确，而且实用性也不高（据说整套设备可以装满一个房间），它更多的是作为原子钟这个概念的示范。

Louis Essen & Jack Perry创造的第一个实用性的原子钟

英国物理学家Louis Essen从伦敦大学获得博士学位，他开始致力于寻找一种方法，将计时从传统定义中解放出来。Louis Essen非常着迷于使用原子光谱频率来改善时间测量的可能性，使用铯作为原子参考已经被国家统计局证实。1955年，他与Jack Parry合作，通过将铯原子标准与传统的石英晶振相结合，开发了第一个实用性原子钟，以便对当时所有的计时手段进行校准。

1.3公斤的铯-133密封在玻璃容器中

通过使用微波将铯原子中的电子从一个能级激发到另一个能级，Essen能够以精确和可重复的频率稳定微波，就像钟摆一样，Essen的原型原子钟依靠这个频率来“跟踪”时间的流逝。

Telstar 1卫星，用于进行第一次双向跨大西洋时钟比较

自1967年以来，国际单位制度（SI）将“秒”定义为对应于铯-133原子的两个能级之间跃迁的9,192,631,770周期的辐射，1997年，CIPM补充说，上述定义是指在“0”K的温度下静置的铯原子。

原子钟示意图

首先，将原子加热，每个原子都处于两种能量状态（假定A和B）之一，磁场除去状态B中的所有原子，因此只保留状态A中的原子。

状态A原子通过谐振器，其中微波辐射触发一些原子转变为状态B，在谐振器之后，仍处于状态A的原子被第二磁场除去，最后，检测器对所有改变为状态B的原子进行计数。

在通过谐振器时改变其状态的原子的百分比取决于微波辐射的频率，因此原子钟的作用是使该频率与原子的固有振荡频率同步，将微波频率完美地微调到原子的振荡，然后测量它。经过9,192,631,770次震荡，一秒钟过去了。

NPL原子钟显示闰秒

这个称之为“铯标准”的世界公认准则还定义了其他一些物理单位，光在真空中行进1/299,792,458秒的距离就是1米，因此例如伏特、米等单位也可以利用和标准来精确获取。

铯原子钟NPL CsF2

通过在被称为铯喷泉的复杂实验室中使用激光冷却的铯原子来实现铯钟精度的最显着的提高，英国国家物理实验室（NPL）时钟，铯喷泉NPL-CsF2，长期以来为UTC生成国际时间做出了巨大的贡献，比Essen的原子钟精确超过30万倍，现在它位于伦敦的科学博物馆。

技术进步不能停止，短短的一秒钟还需要无数科学家和工程师们去征服，目前大多数原子钟仍不够“精确”，因为他们可以在一个月累积约一纳秒的误差，如果用于各种科学的使用场景，这还是不够“精确”的，毕竟原子钟并不仅仅是用来当钟表看时间的。如果使用比原子钟的微波频率高大约10万倍的原子或离子，就像4Hz到5Hz的机械表中的频率突变，意味着更高的稳定性和更好的性能。

虽然光学时钟目前来说还不是足够可靠，但NIST的科学家们表示，即使在机器内部的数十种激光器中的一种破裂的情况下，在接下来的25天内仍能保持0.2纳秒以内的误差。NIST科学家团队负责人Scott Diddams说：“这意味着，如果在宇宙大爆炸的初期开始这个时钟，到目前为止连1秒的误差都没有。

如果你是货真价实的技术控，建议阅读光学和量子钟等相关资料，特别是稀土元素镱离子时钟，但介于我只是个伪“科迷”，没能力也没必要探讨更深层的技术了。

今天，世界各地大约有400个原子钟通过卫星相互联系，有助于保持全球时间的准确。可能最重要的应用是在全球导航卫星系统（GPS）。像许多其他技术进步一样，我们大多数人认为这是理所当然的，但是任何一个“理所当然”的科技产物，细节与进步都是非常惊人的。

如果没有非常精确的时间支持，我们很多设备都不会像今天这样方便，比如日常生活中最常用到的汽车、手机等等。GPS接收器通过测定最少四个信号来源的相对时间延迟，每个卫星至少具有两个板载铯和两个铷原子钟，相对时间在被转换为三个绝对空间坐标和一个绝对时间坐标，这就是为什么手机和汽车能与GPS发射器同步获得准确的时间，也是为什么GPS手表可以非常准确。

也许你觉得这么精确的时间跟日常生活好像没什么联系，只要误差在10分钟之内我上班就不会迟到……但是显然银行、金融、通信、航空、导航、电话和互联网等方面的事务都离不开精确的时间，或者说依赖于精确的时间，如果没有能力准确地保持和分配时间，我们日常生活中的大部分这些事务根本无法实现。