原子钟离你很遥远?不,其实你的生活节奏全靠它

2019年04月08日 15:39 来源:腕表之家 类型:表家号 作者:老邓说表

物理学家当时考虑研发原子钟是是为了探索宇宙的,可能他们从来没有想到在50年后,这种科技已经成为人们现实生活当中不可缺少的一部分。

测量距离、速度甚至是声音这种无形的东西,我勉强可以尝试着去理解。但是时间以一种我们大脑难以理解的方式流淌着。有时时光在飞逝,而有些时候则不是那样,似乎已经停滞。

所以不管是因为哲学或科学的原因,准确地以可以理解的方式去测量时间一直都是可以让人着魔的事。所有计时工具里最准确的还要数原子钟,今年马上就64岁了,我们来看看这个东西1955年6月3日是怎么开始走时并延续下来的。

数千年前,计时都是从最简单的观测开始的,比如日夜的重复或季节的周期性更替——非常容易记录。其他像星期、月份或者是小时和秒则更难准确地量化。而今天聊原子钟,则是我从一种钟爱好者的角度讨论时间和计时历史的形式。

根据定义,时间是不确定的持续存在的过程和一种明显不可逆的次序从过去到现在再到将来发生的事件。这种现行的定义是根据观测标准的周期性事件(比如说一个钟摆自由摆动的经过)的多次重复而得出的,继而形成一种标准单位。换句话说,要计算时间的话,我们需要把它划分成等长的重复事件然后再来数特定的事件。

一秒曾经被定义为平均太阳日的1/86,400,但是地球的不规则公转让这个计算的精度大打折扣。我们想记录得越精准,我们就需要把时间拆分成更小并且更加连贯的重复片段。

那么问题来了,如何理解原子钟?

简单的说,就是从原子变化来测量时间。这是Kelvin在1879年提出的,但是从概念到现实还有很长一段路要走。另外我们可以了解到,磁铁和磁性也将发挥非常重要的作用,所以我们需要在这里提一下Isidor Rabi,是他进一步发展了磁共振背后的理论,1945年他首次提出原子流磁共振可能可以用来作为时钟的基础。

1949年美国当时的国家标准局制作了一个氨微波激射器装置,不久第一台原子时钟就问世了。好玩的是,这个玩意儿还没有当时的石英钟准,更多是当作这个概念的展示而制作出来的。

那么第一款实用原子钟是如何来的呢?

这里就要说到英国物理学家Louis Essen,他从伦敦大学取得博士学位后兴趣转向了寻找一种计时方法摆脱根据地球的公转来表述的传统定义。

他对用原子谱的频率来改进时间测量的可能性非常着迷,他了解到美国标准局展示过用铯作为原子的参考依据来测量时间的可行性。1955年他与Jack Parry合作,开发了第一款实用的原子钟,将铯原子标准和传统的石英水晶振子结合在一起方便对现行的计时进行调校。

石英水晶振子表友们肯定不陌生了,这是石英机芯的核心。

通过微波激活铯原子里的电子从一个能量水平到另一个水平,Essen可以用一种精确又可重复的频率来稳定微波。跟钟摆的摆动非常相似,Essen的原子钟原型依赖于这种频率来记录时间的经过。

自1967年起国际单位系统(SI)把一秒定义为9,192,631,770(简单点就是超过90亿)次放射周期的延续时间,相当于铯133原子两个能量等级之间的变化。1997年,国际组织CIPM补充说明此前的定义指0 K环境下静态的铯原子。

如果不把它弄得听起来非常高科技,原子钟的复杂工作方式将会是无法逾越的界限,但是我们需要知道的就是这个工具依赖于院子内粒子的非常稳定的“活动”,一种以微波频率运转的电子振子,以及由频率决定的部件的活动。

通过共振器时转变状态的原子的占比取决于微波辐射的频率,因此原子钟要做的工作就是让这种频率原子内在的摆动频率同步。目标就是把微波频率和原子震动的频率调好,然后去测量这个频率。经过恰好9,192,631,770次震动后,一秒就过去了。

技术的进步从未停滞,因此绝对不要认为科学家和工程师已经停止突破计时效果。看看,大多数原子时钟还没有那么精确,每个月的失误累计达到十亿分之一秒——对各种科学用途来说,这个结果还不够好。

解决办法是称作光学钟的这种形式。这种时钟采用震动频率比原子钟的微波频率高10万倍的原子或离子。这种变化,就好比机械表的频率由4赫兹跳到5赫兹,意味着更好的稳定性和长时间后出色的表现。

换而言之理解,比如真力时的DEFY LAB因为开发了替代游丝摆轮的新型振荡器,而且机芯频率达到了15赫兹后,可以将日差控制在0.1秒。

老邓说表:现在,世界上至少有400件原子钟,通过卫星互相连接,帮助保持全球的准确时间。或许最重要的应用还要数全球导航卫星系统(或者通称的GPS)。跟许多其他技术进步一样,大多数人都把这种技术理解成理所当然——老邓当然也是如此。

为什么科学家一直追求极精准时间?因为这是现代生活的一个基础。银行和金融领域的一切、通讯、民航、导航、打电话和互联网都高度依赖于我们的设备保持时间同步。如果缺乏保持和分配时间的精度,我们日常生活的这些元素都不可能运转。

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最新评论

有猫
有猫

劳吹会说不如他的40年稳定版全手工打磨一年机芯的绿水鬼准

2019-04-08
11 00
晓艴
晓艴

难道是真力时做的超复杂广告?

2019-04-08
22 00
春天派
春天派

太复杂的 文章,看不太懂,不过很专业啊!

2019-04-08
00 00
奇异果和小丸子
奇异果和小丸子

写这种文章,难道不提飞秒么?量子隧穿的计时单位。

2019-04-08
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