国防科技大学文理学院研究员邹宏新为您讲述——
原子钟：计量时间的“千分尺”
■张照星唐东
太空浩瀚，斗转星移；四季更替，草木枯荣。从古至今，人们都能清晰感知到时间的流逝。
为了准确计量时间，随着时代发展，时间计量工具在不断更新换代，从日晷、沙漏、水钟，到机械钟、石英钟，再到原子钟，精确度越来越高。如果说日晷、沙漏、水钟是“鲁班尺”，那么机械钟、石英钟就是“卷尺”，原子钟则是“千分尺”。
地面运控系统定时校准卫星上的原子钟，并通过伪码将时间、星历等信息发送给用户计算位置信息，达到定位导航的目的。整个体系，构成了一个同步时间网络。
原子钟的“前世今生”
20世纪30年代，科学家在研究原子和原子核的基本特性时发现，原子的振荡频率准确性非常高，从而产生了利用原子的振荡频率来制作时钟的想法。1948年，美国国家标准局利用氨分子的吸收谱线，建造了世界上第一台原子钟。但受多普勒效应影响，振荡器谱线太宽，其精确度并不比石英钟高。为此，美国物理学家拉姆齐在1949年提出分离振荡场的方法，大大提高了精确度。
1955年，英国皇家物理实验室用铯元素唯一的稳定同位素铯-133原子，成功研制出第一台铯束原子钟，开创了实用型原子钟的新纪元。到20世纪末，科学家们对原子钟的使用条件进行严格规定，并通过使用激光冷却和原子俘获及更精密的激光光谱等技术，大幅提高了原子钟的精确度。
进入21世纪，科学家们不但在原子钟的准确度方面追求极致，还在原子钟的微型化和节能化方面狠下功夫。这使新一代原子钟实现了芯片级跃升，能耗也大大降低，从而在稳定性和精密性方面得到极大优化，并进入商业化推广阶段。
原子钟一般运用在对时间精确度要求比较高的系统上。比如卫星导航系统，它主要利用测量时间来测距，最后达到导航定位的目的。时间测量，则主要依赖于卫星和地面站放置的原子钟。原子钟如同卫星导航系统的“心脏”，其精准与否直接影响卫星定位、测速和授时精度。
卫星上常用的铷原子钟，可做到几十万年只差一秒。即使如此之高的时间精度，也会让卫星导航系统产生数米的定位误差。据测算，目前精度最高的原子钟——光钟，运行300亿年误差只有一秒。如果技术条件允许，将光钟放到卫星上用于导航，即使你去火星“旅游”，拿着手机导航，定位误差也不会超过1米。
随着科技发展，我们对时间精确度要求越来越高。比如在卫星导航系统中，1秒的时间误差会导致30万公里的位置误差。假如未来某一天可在星际间穿越，哪怕是万分之一秒的误差，都会上演“星际迷航”。因此，创新发展原子钟永无止境。
原子钟的工作原理
原子由中心的原子核及在核外沿特定轨道运行的电子组成。每个电子都有属于自己固定的飞行轨道，当最外层电子从一个轨道跳变到另一个轨道时，能量就会发生改变，需要吸收或释放电磁波。这个电磁波有一个确定的频率，而且非常稳定。根据现在电子表原理，只要我们掌握了某种原子超精细能级之间所对应的电磁振荡频率，就可用来精确计时了。所以，科学家用原子作节拍器，保持时间的高精度。
原子钟工作原理示意图
如何利用这个稳定的电磁波作为时间计量的钟？科研工作者们针对不同原子，研究出了不同对策。对于导航卫星上装载的铷原子钟，首先将铷原子团“囚禁”在一个密闭的真空气室里，并用波长780纳米的光照射它，铷原子的最外层电子吸收光场的能量，跳变到另一个轨道，并自辐射到第三个轨道。当所有铷原子都完成这一步骤后，便不再吸收光子，也无法观察到原子自发辐射产生的荧光了。之后，再用一个6.8吉赫兹的微波去照射这群原子，让第三个轨道的电子重新回到第一个轨道。这时，可观察到铷原子重新吸收780纳米的光子，并自发辐射出荧光。利用观察到的荧光强弱，反馈回去纠正微波信号，就可得到高度稳定的微波频率。这就是铷原子钟的工作原理。
地面上常用于时间保持的铯原子钟，则完全采用不同策略。原子外层电子如果处在不同轨道，就会具有不同的磁矩，在非均匀磁场中，将会受到不同大小的磁力。先将铯原子加热成气体，并让其穿过一个小孔变成铯原子束，然后再穿过一块特定的磁铁，处于不同轨道的原子就会发生不同角度的偏转。这时，用一束9.2吉赫兹的微波去照射这些原子，让某一特定角度偏转的原子实现轨道跳变，最后再通过一个特定方向的磁铁，让发生跳变的这一部分原子刚好穿过另外一个小孔，并用传感器去探测这一部分原子的数目，将其转换成电信号，反馈回去控制微波源的频率，得到稳定频率的微波信号。
有了这些稳定频率的微波信号后，人们可通过电磁学手段，将其转变成标准频率，供科研、通信、工业等领域使用。也可利用电磁学手段，将这个频率信号转换成一系列间隔为一秒的脉冲信号，进而变为我们熟悉的时间信号“时、分、秒”进行输出。这样，我们就拥有了一台原子钟。
随着激光等技术手段的不断成熟，除了传统的铷钟、氢钟、铯钟之外，还涌现出离子钟、冷原子喷泉钟、光钟等新型原子钟，精确度指标也在不断刷新。目前，最好的光钟精确度指标已进入10～19量级。
无处不在的原子钟
听起来高深莫测的原子钟，其实离我们并不遥远，已融入我们的生活中。
除了定位导航外，原子钟还被应用到全世界的时间保持和授时服务上。比如，我们所熟知的北京时间，就是全世界150多台原子钟共同守时并加权平均后的结果。各种物理学常数的测定，还有电力系统、通信系统，也都离不开高精度的原子钟。否则，电网调节时间出现偏差，可能会导致电机故障；各地交通体系时间有差异，可能会造成交通事故。
如今，电信公司以数据包的形式来传输语音，这使他们能在同一时间通过电话线传输大量语音。当你给另一个城市的人打电话时，你的语音会被分解并在两端计算机之间传输。一个对话与另一个对话之间会来回往复，每秒钟可达数千次。然而，要实现这一切，两台计算机必须保持完美同步，不然通话就会变得很混乱，听起来像是胡言乱语。这就是现在电信公司都配有原子钟的原因——计算机之间时刻保持完全同步。
电影里，大战前夕，指挥员们总会表情严肃地凑到一起，伸出手腕对表，以便统一行动。但在现代战争中，各个作战系统“对表”，就得依靠原子钟。
随着现代战争发展，精准的时间系统成为网络战的关键，时频体系是一个国家的国防基础。而原子钟作为目前世界上最准确的时间获得和测量工具，属于一个国家的战略资源，尖端武器、航天系统、导弹与火箭的发射及跟踪，都离不开它。比如要想提高制导武器命中率，就必须提高计时的精确度。否则，就会出现“差之毫厘，谬以千里”的后果。可以说，离开了高精度的时间计量，目前绝大多数的精确制导武器将会形同虚设。
在联合作战方面，未来无人作战系统或空天一体化作战网络中，所有作战设备都需要高精度时间同步。卫星、飞机、导弹、地面雷达、舰船等装备，都需要一个高精度本地时钟——原子钟，并通过电磁波或光纤实现时间同步。只有这样，才能提高探测、预警和打击精度，同时提高联合作战效率。
未来的深空探测、太空战等，都离不开远距离定位导航，这也将对原子钟的指标提出更高要求。
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