关于原子钟的10个奇怪事实

回溯到几千年前，当人类开始追踪时间的流逝时，他们是通过观察太阳在天空中的明显运动来做到这一点的——这实际上是由于地球的自转——并以这段旅程的时间单位为基础。例如，传统上，一秒被定义为一个太阳日平均长度的86400分之1。

但是随着原子钟它比地球本身的运动可靠得多，因此有必要改变这一标准。1967年，“秒”被重新定义为同位素铯133的一个原子振荡9,192,631,770个周期所花费的时间[来源:Sciencemuseum.org.uk］．

电子围绕原子的中心运行——就像行星围绕太阳运行一样。

HowStuffWorks

正如我们前面所解释的，电子绕原子的中心运行原子它被称为原子核。想象一个极其微小的太阳系，有行星围绕着太阳旋转，你就会有大致的概念。物理学家发现，电子的运动非常有规律——它们往往停留在一个狭窄的轨道范围内，与原子核的距离取决于它们在给定时刻发出的辐射量。电子运动的最低轨道和最高轨道之间的距离就是频率。

以铯为例，它被用于原子钟在美国，科学家们只关注该元素的55个电子中的一个——最外层的一个，它的轨道明显高于其他电子。最外层电子离原子核最近的轨道和距离最远的轨道之间的能量差相当于9192631770个周期的无线电频率。这是科学家用来计算时间的部分，并将其分解成非常短的不到十亿分之一秒的单位[来源:Sciencemuseum.org.uk］．

1948年，美国国家标准局建造了世界上第一座原子钟．第一个时钟没有使用铯，而是使用氨水原子，氨水被加热后从铜管中喷射出来。虽然第一台时钟证明了原子钟的概念是可行的，但它实际上从未用于计时。第一个原子钟每四个月就差一秒。这使得它比现有的技术更不可靠石英钟，它测量一块石英在带电作用时的振荡。

最终，科学家们转而使用振荡更短的铯，并从各个方面改进了设计。一个1959年的模型成功地以每2000年1秒的误差校准了时间，到1964年，时钟变得非常精确，它们需要6000年才能失去或增加一秒。今天，一个最先进的原子钟在使用了600万年后只会差一秒。Sciencemuseum.org.uk］．

德国科学家罗伯特·威廉·本生，大约在1870年

E. D. Lange/赫尔顿档案馆/盖蒂图片社

首先，它有时拼写为“铯”。铯是由罗伯特·本生在1860年发现的，他是本生灯的发明者，在高中化学学生中更为人所知。它是如此奇妙而迷人，以至于在20世纪90年代早期，它激发了一个互联网新闻组——另类铯(Alt.cesium)的创建，致力于“讨论、赞扬、崇敬和崇拜，发布关于最崇高元素的歌曲、诗歌、故事和寓言”。纳尔逊］．它通常被称为“另一种金色金属”，是仅有的三种非灰色或银色的金属之一(另外两种是金和铜)。科学美国人］．

在自然界中发现的铯，铯133，很难定位。其最大的天然来源是一种叫做污染石的稀有矿物，在美国缅因州和南达科他州的矿石中发现了污染石。尽管铯是一种金属，但它在非常低的温度下熔化——82华氏度(22.7摄氏度)——当它接触冷水时就会爆炸[来源:阿贡国家实验室]。在空气中，它有时会自燃，燃烧着明亮的天蓝色火焰[来源:纳尔逊］．

你可能对此有点困惑，因为我们花了这么多时间告诉你原子钟的精确度有多高因为它的使用振荡铯。但是时钟中真正计时的部分是一个标准的石英晶体振荡器，它使一块晶体受电流影响而振动。区别在于，在大多数的普通中石英钟表这意味着随着时间的推移，微小的变化会使时钟有点快或有点慢。然而，在原子钟中，铯的振荡被用来检查石英装置的频率，这就是为什么原子钟具有如此惊人的准确性[来源:Sciencemuseum.org.uk］．

世界各地的原子钟会定期重置，以确保与地球保持完美的同步。

乔治Diebold

就在2008年12月31日晚上7点之前，科学家们在原子钟为了使国际原子钟标准协调世界时(UTC)与地球自转同步，世界各国的原子钟都以协调世界时(UTC)为准。并不是时钟变慢了，而是行星变慢了。由于各种各样的“刹车”，行星的自转速度每天都慢了大约两毫秒:太空尘埃、磁暴、太阳风、自身大气层的阻力，最重要的是，行星的引力月亮这不仅会引起海潮，还会使整个地球隆起。

所有这一切的结果就是延长了太阳日，并使之与我们的超级精确的原子钟相比稍微偏离了一点。这种差异需要数百年才能被注意到，因此太阳在天空中的位置将与家庭时钟上的时间不同(你可能已经根据正确的电话号码设置了时间，这是基于UTC)。为了防止这种情况发生，1972年，一项国际协议规定，原子钟必须定期同步调整[来源:道林]。

住在山上的人比住在海滩上的人衰老得快，这种想法似乎有点荒谬，但这确实是事实。这个概念是大约一个世纪前由物理学家首次提出的阿尔伯特·爱因斯坦他的狭义相对论假设时间不是恒定的，而是相对的。(这就是为什么他们称之为相对论。)2010年，美国国家标准与技术研究所(NIST)的周钦文(James Chin-Wen Chou)和他的同事进行了一项实验，以测试爱因斯坦的推理。他们定位两个原子钟距离海平面约30厘米，发现两个时钟中较高的那个走得稍快。不过，按实际价值计算，这种差别并不明显;据周说[来源:康纳］．

在诺曼底登陆期间指挥美国第12集团军的奥马尔·布拉德利将军(1893 - 1981)展示了他的公司生产的水晶钟和原子钟。

梯形/盖蒂图片社

如果你看过电影《金手指》中反派威胁要切东西的场景詹姆斯•邦德用激光把原子钟切成两半，你可能想知道为什么激光不会在原子钟上烧个洞，而是让它运行得更精确。但它实际上可以做到后者。容忍我们，因为这很复杂。

原子钟本质上是用微波轰击铯原子，以激发一些活动，然后科学家可以测量这些活动。传统原子钟的局限性在于，它们只能用微波捕获一小部分铯原子。将原子置于激光光束——这个过程被称为激光光泵浦——你可以减缓原子的速度，这给了微波更多的机会击中它们。这反过来又会产生更精确的信号，使科学家能够利用铯振荡更准确地标记时间。奇怪的是，这一过程也能使铯原子冷却，在开氏温标下，温度可降至绝对零度以上的百万分之一度[来源:过活,Jaduszliwer］．

最近，通信公司将电话传送成“零零碎碎”的形式包这使得他们能够同时通过他们的线路进行大量的对话。当你给另一个城市的人打电话时，你的话会被打断，并在两端的电脑之间传输，在对话和对话之间来回切换，每秒数千次。然而，要做到这一点，两台电脑必须保持完美的同步，就像一对极其灵活的乒乓球运动员，可以以惊人的速度击中对方相当于一卡车小球的重量，而且从来不会打偏。如果他们错过了，电话就会变得混乱，听起来像胡言乱语。这就是为什么现在的电信公司都有自己的原子钟来防止这种情况发生，通过让计算机在任何时候都几乎完美地同步[来源:Sciencemuseum.org.uk］．

很快，原子钟就会变得更加精确。

格雷格•史密斯/ Photolibrary /盖蒂图片社

科学家们一直在梦想制造的方法原子钟但佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)和内华达大学(University of Nevada)的研究人员最近提出了一个真正令人震惊的进展。用极其简单的术语来说，是这样的:他们想用激光重新排列原子碎片，这样他们就可以用一个轨道中子，而不是一个电子，就像一个钟摆。其结果可能会是一个比现在存在的任何时钟精确100倍的时钟，精确到在140亿年里它只会损失或增加不到二十分之一秒。考虑一下:宇宙本身大约是140亿岁,如果这个时钟在某种程度上可以在一个时间机器发回宇宙大爆炸的那一刻开始的一切,今天仍然是在持续增长,在几乎完美的步骤和每一刻,曾经发生[来源:科学日报］．