第524章 原子鍾的原理

很顯然,這個當然不能這麽算了!畢竟這是受到氣壓的影響,和時間快慢本身又有什麽關系呢!

所以當速度變快之後,飛船上,或者衛星上用來計時的原子鍾會不會也會出問題呢!

就如同那個利用滴水來計時的計時器會受到氣壓影響一樣。

因此速度變快之後是不是也會影響原子鍾的計數呢!從而讓人錯誤的認爲這是時間變慢所導緻的。

要知道,爲了準确計量時間,随着時代發展,時間計量工具在不斷更新換代,從日晷、沙漏、水鍾,到機械鍾、石英鍾,再到原子鍾,精确度越來越高。

如果說日晷、沙漏、水鍾是魯班尺,那麽機械鍾、石英鍾就是卷尺,原子鍾則是千分尺。

而随着科技的進步和發展,終于到二十世紀三十年代,科學家在研究原子和原子核的基本特性時發現,原子的振蕩頻率準确性非常高,從而産生了利用原子的振蕩頻率來制作時鍾的想法。

于是在一九四八年,米啯啯家标準局利用氨分子的吸收譜線,建造了世界上第一台原子鍾。

但受多普勒效應影響,振蕩器譜線太寬,其精确度并不比石英鍾高。爲此,米啯物理學家拉姆齊在一九四九年提出分離振蕩場的方法,大大提高了精确度。

之後一九五五年,音啯物理實驗室用铯元素唯一的穩定同位素铯一三三原子,成功研制出第一台铯束原子鍾,開創了實用型原子鍾的新紀元。

到二十世紀末,科學家們對原子鍾的使用條件進行嚴格規定,并通過使用激光冷卻和原子俘獲及更精密的激光光譜等技術,大幅提高了原子鍾的精确度。

而後進入二十一世紀,科學家們不但在原子鍾的準确度方面追求極緻,還在原子鍾的微型化和節能化方面狠下功夫。

這使新一代原子鍾實現了芯片級躍升,能耗也大大降低,從而在穩定性和精密性方面得到極大優化,并進入商業化推廣階段。

而原子鍾一般運用在對時間精确度要求比較高的系統上。比如衛星導航系統,它主要利用測量時間來測距,最後達到導航定位的目的。

時間測量,則主要依賴于衛星和地面站放置的原子鍾。原子鍾如同衛星導航系統的“心髒”,其精準與否直接影響衛星定位、測速和授時精度。

衛星上常用的铷原子鍾,可做到幾十萬年隻差一秒。即使如此之高的時間精度,也會讓衛星導航系統産生數米的定位誤差。

當然由于衛星環繞藍星飛行的速度太快,所以就會照成相對論中的時間膨脹效應,讓原子鍾的實際時間變慢,所以爲了不至于和地面時間偏差越來越大,因此衛星定位系統裏的原子鍾都是和地面上的原子鍾經常性校準的。

隻有這樣才能保持衛星定位的精準程度,不至于誤差太大。

然而被奉爲最精準的原子鍾爲何會受到速度的影響從而變慢,而這就得從原子鍾的制作以及運行原理解釋了。

要知道,原子由中心的原子核及在核外沿特定軌道運行的電子組成。每個電子都有屬于自己固定的飛行軌道,當最外層電子從一個軌道跳變到另一個軌道時,能量就會發生改變,需要吸收或釋放電磁波。

這個電磁波有一個确定的頻率,而且非常穩定。根據現在電子表原理,隻要我們掌握了某種原子超精細能級之間所對應的電磁振蕩頻率,就可用來精确計時了。所以,科學家用原子作節拍器,保持時間的高精度。

而如何利用這個穩定的電磁波作爲時間計量的鍾呢!

早期的科研工作者們針對不同原子,研究出了不同對策。對于導航衛星上裝載的铷原子鍾,首先将铷原子團“囚禁”在一個密閉的真空氣室裏,并用波長七百八十納米的光照射它,铷原子的最外層電子吸收光場的能量,跳變到另一個軌道,并自輻射到第三個軌道。

當所有铷原子都完成這一步驟後,便不再吸收光子,也無法觀察到原子自發輻射産生的熒光了。之後,再用一個六點八吉赫茲的微波去照射這群原子,讓第三個軌道的電子重新回到第一個軌道。

這時,可觀察到铷原子重新吸收七百八十納米的光子,并自發輻射出熒光。利用觀察到的熒光強弱,反饋回去糾正微波信号,就可得到高度穩定的微波頻率。這就是铷原子鍾的工作原理。

地面上常用于時間保持的铯原子鍾,則完全采用不同策略。原子外層電子如果處在不同軌道,就會具有不同的磁矩,在非均勻磁場中,将會受到不同大小的磁力。

先将铯原子加熱成氣體,并讓其穿過一個小孔變成铯原子束,然後再穿過一塊特定的磁鐵,處于不同軌道的原子就會發生不同角度的偏轉。

這時,用一束九點二吉赫茲的微波去照射這些原子,讓某一特定角度偏轉的原子實現軌道跳變,最後再通過一個特定方向的磁鐵,讓發生跳變的這一部分原子剛好穿過另外一個小孔,并用傳感器去探測這一部分原子的數目,将其轉換成電信号,反饋回去控制微波源的頻率,得到穩定頻率的微波信号。

有了這些穩定頻率的微波信号後,人們可通過電磁學手段,将其轉變成标準頻率,供科研、通信、工業等領域使用。

也可利用電磁學手段,将這個頻率信号轉換成一系列間隔爲一秒的脈沖信号,進而變爲我們熟悉的時間信号“時、分、秒”進行輸出。這樣,我們就擁有了一台原子鍾。

随着激光等技術手段的不斷成熟,除了傳統的铷鍾、氫鍾、铯鍾之外,還湧現出離子鍾、冷原子噴泉鍾、光鍾等新型原子鍾,精确度指标也在不斷刷新。目前,最好的光鍾精确度指标已進入十到十九量級。

雖然原子鍾聽起來高深莫測的原子鍾,其實離人們的生活并不遙遠,已融入我們的生活中。

因爲除了定位導航外,原子鍾還被應用到全世界的時間保持和授時服務上。

比如,我們所熟知的苝驚時間,就是整個藍星一百五十多台原子鍾共同守時并加權平均後的結果。

各種物理學常數的測定,還有電力系統、通信系統,也都離不開高精度的原子鍾。

否則,電網調節時間出現偏差,可能會導緻電機故障,更加嚴重的甚至能讓電網崩潰,而各地交通體系時間有差異,可能會造成交通事故,以至于人員傷亡。

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