原子钟的基本原理及其发展
2022210183顾东 无机非22-1
人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢（Hydrogen）、铯（Cesium）、铷（Rubidium）等。原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。
在原子钟出现以前的几千年里，人们通过对地球、月球，太阳乃至宇宙中一些现象的观察和归纳，创造了凝聚人类智慧的各种各样的历法。历法从本质上就是为了告诉人们时间信息，告诉人们何时是一天的开始，何时是一年的开端。为了寻找更为准确和稳定的时间标尺，人类在自然界里不断地探求各种各样的周期性运动，看看它们中哪些不容易受到外界影响而发生周期的变化，哪些容易在人们日常生活中得到广泛的使用。这样，钟的发展依次走过了以地球自转、月球围绕地球旋转和地球围绕太阳公转为代表的天文物理历法时代，以晶体振荡器为代表的机械力学钟表时代和以原子分子为代表的原子钟时代。
1. 原子钟的基本原理
根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的[1]。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的，例如铯133的共振频率为9 192 631 770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
2. 原子秒与早期原子钟
世界上第一台原子钟诞生于1949年，它以氨分子为样品，输出频率为23.8吉赫。1955年，英国国家物理实验室建造了世界上第一台以铯原子为样品的原子钟[2]。1960年，拉姆齐（N.Ramsey）等人建造了世界上第一台以氢为样品的原子钟，通常人们称之为氢微波激射器（Hmaser）。由于原子钟在时间频率标准方面的巨大发展潜力，1967年，第十三届国际计量大会通过了以铯原子为基础的原子秒定义，即一秒钟为“不受外界干扰的铯原子（13Cs）基态超精细能级间发生迁的电磁波频率的9192631770个周期”。
原子钟的发展意味着其输出频率信号的准确度、稳定度和复现性等指标的提高。
（1）准确度（或者说不确定度）指一台实际的原子钟与公认的“秒定义”之间频率差异的不确定程度。以铯原子钟为例，不确定度指原子钟输出频率与9192631770赫之间的频差的不确定程度。得到这一参数有两种方法。一种是制作两台以上同样原理的原子钟，通过比较它们之间输出频率差别的涨落可以实验性地获得这一参数。另一种方法就是考察制作原子钟过程中的每一个物理和技术环节，从理论上估算出每种可能的频率偏移，并配合实验测量，从而可以对输出频率进行修正；在估算过程中必然会出现一定的误差，将各种频移误差求和就可以得到不确定度。当人们在尝试非铯样品的其他原子钟制作时，也可以通过类似的方法获得不确定度。
（2）稳定度是指输出频率随时间的变化程度，长时间的缓慢变化（漂移）为长期稳定度，较短时间内的变化主要是原子钟内部的各种噪声带来的，称之为短期稳定度。大量研究表明工作频率越高，获得的电磁信号线宽越窄（频谱越纯），信噪比越高，原子钟的短期稳定度越高。
（3）复现性反映同类原子钟或者同一台原子钟多次开机或者多次独立调节时输出频率的一致性。以铯束原子钟为代表的原子束结构的原子钟在时间计量领域有着举足轻重的地位，美国国家标准技术研究院（NIST）、德国联邦技术物理研究院(PTB)等世界上著名的标准技术研究组织都曾将该类原子钟作为本国授时系统的基准；一些世界上的计量仪器制造公司（如惠普、安捷伦等）也纷纷将其小型化、便携化、商品化。直到今天，商用小型铯束原子钟（以安捷伦的5071为代表）仍然在国内外诸多科学和技术研究单位中有着广泛的应用。该类原子钟的相对不确定度可以达到3x10^-15
3. 冷原子喷泉钟
根据原子秒的定义，科学家们总是寻求各种实验手段来获得不受干扰的样品原子。理论和实验表明，温度的降低可以将原子钟的准确度和稳定度提高到一个新的数量级。激光囚禁和冷却原子技术的出现使得人们可以获得温度为几微开的原子系统，然而由于该技术是利用激光形成的势场来工作的，因此外场会对原先的发生跃迁的能级产生一定的移动作用，从而影响原子钟输出的准确度。朱棣文等人承袭扎卡赖亚斯（J.R.Zacharias）的喷泉思想，撤去外场并让冷原子团作上抛运动，实现了世界上第一个冷铯原子喷泉。法国国家计量局（BNM-SYRTE）在冷原子喷泉的基础上，实现了第一个冷铯原子喷泉钟。目前，冷铯原子喷泉钟在很多国家已经或者正在代替传统的铯束原子钟成为新一代的国家频率基准，其相对不确定度可以达到4x10。值得一提的是，该类原子钟的喷泉上抛特性使得原子钟所在地点的重力加速度成为影响其输出指标的重要因素。在微重力环境下运行高精度原子钟具有更重要的意义，既可对基本物理原理开展验证实验，也可发展更高精度的导航定位系统。
2016年9月25日，天宫二号空间实验室成功发射并顺利进入运行轨道[3]。中科院牵头负责的载人航天工程空间应用系统在天宫二号上开展了14项空间科学与应用任务，其中包括世界首台太空运行的冷原子钟。
在轨22个月，冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定，完成了全部既定在轨测试任务，成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性，同时实现了天稳定度7.2×10^-16的超高精度。
4. 原子钟的应用
原子钟最重要的应用就是提供时间频率的计量服务。在中国，人们通常认为中央电视台播报的时间是最准的，实际上这台时钟就是用中国的铯原子钟来校准的。由于原子钟的高性能，人们目前获得的时间准确性可以达到几千万年相差一秒的程度。
除了提供时间频率的计量服务以外，原子钟最显著的工程应用是在全球定位系统（GPS）中。GPS是一个三维长度测量系统，精密的长度测量往往需要转变为电磁波传播时间的测量：电磁波的传播速度通常认为是一个常量（即光速c），而原子钟又是目前时间测量中最精准的“尺子”，因此GPS系统的定位精度中很重要的因素就是卫星系统中使用的原子钟本身的性能。目前GPS 在人们生产和生活中的应用越来越普遍，性能指标不断提高的原子钟不仅让人们享受更好的服务，还有可能在未来的宇宙定位、太空探索中发挥重要作用。另外，原子钟还广泛应用在通信、导航、电视、天文地理测量、精密仪器校准等诸多领域。高精度原子钟还是基础科学中的重要工具，人们可以借助它完成对广义相对论的验证、特殊参考系的研究、物质与反物质的对称性以及量子力学理论的验证等重要工作。
参考文献：
【1】铯原子钟的工作过程，中国科普博览[Z]，2012-07-1
【2】伊 林 陈徐宗，原子钟研究及其进展，科学[J]，2005-09-25
【3】张梦然 李大庆. 冷原子钟把太空时间计量精度提高1—2个数量级 [N].科技日报，2018-7-26。
伊 林 陈徐宗，原子钟研究及其进展，科学[J]，2005-09-25
