新浪科技訊 北京時間1月19日消息，“原子鍾”這個(ge) 詞可能會(hui) 讓人聯想起20世紀50年代恐怖電影中的畫麵：一個(ge) 穿著白大褂的瘋子科學家建造了可怕的末日裝置，上麵的時鍾正滴答滴答地走著，即將毀滅我們(men) 的整個(ge) 星球。但實際上，相比其他與(yu) 原子有關(guan) 的發明——比如原子彈——原子鍾可以說是相當“溫和”。

　　不過，與(yu) 原子彈不同的是，原子鍾既不會(hui) 分裂原子，也不會(hui) 爆炸，而是使用原子振蕩頻率標準來計算並保持時間的準確。由於(yu) 原子振蕩所涉及的時間單位非常小（如銫原子的振蕩頻率為(wei) 每秒9，192，631，770個(ge) 周期），而且異常穩定，以這種振蕩來估算時間的時鍾要比老式時鍾準確得多。

　　自20世紀40年代發明以來，原子鍾已經成為(wei) 現代世界的重要工具之一，使得電視廣播、互聯網和全球衛星定位係統等複雜係統之間的時間同步成為(wei) 可能。不過，盡管原子鍾已經成為(wei) 我們(men) 生活中不可或缺的一部分，但它仍然有點神秘。以下就是關(guan) 於(yu) 這些精密設備的10個(ge) 奇妙事實。
 

　　1。 原子鍾改變了我們(men) 計算常規時間單位的方式

　　幾千年前，當人類開始追蹤時間的流逝時，主要依靠觀察太陽在天空中的運動——實際上是由地球的自轉引起的——並以此為(wei) 基礎來確定單位時間。例如，傳(chuan) 統上1秒鍾就被定義(yi) 為(wei) 平均太陽日的1/86400（在一些天文及法律的定義(yi) 中仍然適用）。

　　然而，隨著原子鍾的出現，人們(men) 發現它比地球本身的運動要可靠得多，因此單位時間的標準有必要做出改變。1967年，秒被重新定義(yi) 為(wei) 同位素銫-133原子基態兩(liang) 個(ge) 超精細能級間躍遷輻射振蕩9，192，631，770個(ge) 周期所需要的時間。
 

　　2。 原子鍾使用每個(ge) 銫原子中的一個(ge) 電子來計時

　　正如前麵所解釋的，電子繞原子的中心運行，而這個(ge) 中心就是原子核。想象一個(ge) 極小的太陽係，有很多行星圍繞著太陽轉，就相當於(yu) 大致的原子結構。物理學家發現，電子的運動極為(wei) 規律——它們(men) 往往停留在一個(ge) 狹窄的軌道範圍內(nei) ，與(yu) 原子核的距離取決(jue) 於(yu) 它們(men) 在某一特定時刻發出的輻射。電子進入的最低軌道和最高軌道之間的距離就是頻率。

　　以用於(yu) 原子鍾的銫為(wei) 例，科學家隻關(guan) 注該元素55個(ge) 電子中的一個(ge) ，即最外層的那個(ge) 電子，它所占據的軌道明顯高於(yu) 其他電子。最外層電子離原子核最近的軌道和它離原子核最遠的軌道之間的能量差相當於(yu) 9，192，631，770個(ge) 周期的輻射頻率。科學家們(men) 就是以此來估算時間，並將時間分解為(wei) 不到十億(yi) 分之一秒的極短單位。
 

　　3。 原子鍾現在已經非常可靠，但最初的原子鍾並非如此

　　1948年，美國國家標準局（現為(wei) 美國標準技術研究所）建造了世界上第一台原子鍾。不過，這台原子鍾使用的不是銫原子，而是被加熱後從(cong) 銅管中射出的氨原子。盡管這台“氨微波激射器”證明了原子鍾的概念是可行的，但它從(cong) 未真正用於(yu) 計時。它每4個(ge) 月的誤差大約1秒，比現有的石英鍾技術還更不可靠。石英鍾是一種基於(yu) 電荷作用下石英晶體(ti) 振動的精確時鍾技術。

　　最終，科學家轉而使用振蕩更短的銫，並通過各種方式改進了設計。1959年的一台原子鍾模型成功地使時間誤差達到每2000年誤差1秒；到1964年，原子鍾已經變得極為(wei) 精確，需要6000年時間才能達到加減1秒的誤差。今天，最先進的原子鍾可以達到數億(yi) 年時間內(nei) 誤差不超過1秒的標準。
 

　　4。 銫，用於(yu) 原子鍾的東(dong) 西，是一種奇怪的元素

　　銫元素是1860年由德國化學家羅伯特·本生發現的，他是高中化學中常見的高溫加熱工具本生燈的發明者。在20世紀90年代早期，銫的奇妙性質甚至激發一些人在網絡上創建了一個(ge) 名為(wei) “Alt.cesium”的新聞組，致力於(yu) “討論、讚美、敬奉、崇拜和發布關(guan) 於(yu) 這種最崇高元素的歌曲、詩歌、故事和寓言”。銫通常被稱為(wei) “另一種金色金屬”，它是三種不呈灰色或亮銀色的金屬之一（另外兩(liang) 種是金和銅）。

　　在自然界中能發現的銫同位素是銫-133，這也是唯一穩定的銫同位素，但很難找到其確切分布。產(chan) 量最大的銫-133天然來源是一種稀有的礦物質，稱為(wei) 銫沸石（pollucite）。盡管銫是一種金屬，但它可以在非常低的溫度下熔化，熔點僅(jin) 為(wei) 28.4攝氏度，是少數在接近室溫條件下為(wei) 液態的金屬元素之一。當銫接觸到冷水時會(hui) 發生爆炸反應。在空氣中，銫有時會(hui) 自發燃燒，出現明亮的天藍色火焰。
 

　　5。 原子鍾的計時實際上用的是一大塊石英，而不是單個(ge) 銫原子

　　你可能會(hui) 對這一點感到困惑，因為(wei) 前麵已經說明了原子鍾是利用了銫的振蕩才變得更加精確。但在原子鍾內(nei) 部，真正計時的部分是一個(ge) 標準的石英晶體(ti) 振蕩器，它將一塊晶體(ti) 置於(yu) 電流中，使其振蕩。不同之處在於(yu) ，在大多數普通的石英鍾中，振蕩器在製造過程一開始就被精確調整，之後就不會(hui) 檢查或調整它的頻率，這意味著隨著時間的推移，輕微的變化也會(hui) 使石英鍾變快或變慢。然而，在原子鍾中，銫的振蕩可以檢查石英晶體(ti) 裝置的頻率，從(cong) 而保持驚人的計時準確性。
 

　　6。 2008年，地球上的每個(ge) 原子鍾都同時增加了一秒

　　2008年12月31日晚7點前，科學家們(men) 將世界各地的原子鍾都提前了一秒，以使基於(yu) 原子時秒長的協調世界時（UTC）與(yu) 地球自轉同步。這並不是原子鍾的問題，而是地球的自轉會(hui) 每天大約減慢兩(liang) 毫秒，原因包括空間塵埃、磁場風暴、太陽風、大氣層阻力等，最重要的是月球對地球的引力作用。

　　所有這一切造成的影響就是太陽日的延長，並使其稍稍偏離超級精確的原子鍾。這種差異需要幾百年的時間才能顯現出來，但為(wei) 了防止這種情況發生，1972年的一項國際協議規定，原子鍾將定期與(yu) 協調世界時同步調整。
 

　　7。 用原子鍾證明時間在海拔越高的地方過得越快

　　住在山上的人比住在海灘上的人衰老得更快，這聽起來有些荒謬，但卻是事實。這個(ge) 概念最早是一個(ge) 世紀前由物理學家愛因斯坦提出的，他的狹義(yi) 相對論假設時間不是常數，而是相對的。2010年，美國國家標準與(yu) 技術研究所（NIST）的物理學家周清文和同事進行了一項實驗，以驗證愛因斯坦的推理。他們(men) 將兩(liang) 個(ge) 原子鍾分別放置在海平麵上方相隔30厘米的地方，發現位置更高的原子鍾運行的速度越快。當然，從(cong) 實際數值來看差別並不明顯；根據周清文的說法，在79年的生命中，山上的居民會(hui) 多衰老約900億(yi) 分之一秒。
 

　　8。 科學家利用激光束使原子鍾更精確

　　原子鍾本質上是用微波轟擊銫原子，激發一些可以被科學家測量的現象。傳(chuan) 統原子鍾的局限性在於(yu) ，微波隻能捕捉到一小部分銫原子，而通過將原子置於(yu) 激光束中——這個(ge) 過程被稱為(wei) 激光抽運（laser optical pumping）——就可以減慢原子的速度，使微波有更多的機會(hui) 擊中它們(men) ，從(cong) 而產(chan) 生了更精確的信號，使科學家能夠使用銫原子振蕩來更準確地標記時間。奇怪的是，這一過程也會(hui) 冷卻銫原子，甚至能低至開爾文溫標的百萬(wan) 分之一度，幾乎就是絕對零度。

　　9。 原子鍾讓你的電話交談更加容易

如今，電信公司以數據包（packet）的形式來傳(chuan) 輸語音，這使他們(men) 能夠在同一時間通過電話線傳(chuan) 輸大量的通話。當你給另一個(ge) 城市的人打電話時，你的語音會(hui) 被分解並在兩(liang) 端的計算機之間傳(chuan) 輸，一個(ge) 對話與(yu) 另一個(ge) 對話之間會(hui) 來回往複，每秒鍾可達數千次。然而，要實現這一切，兩(liang) 台計算機必須保持完美的同步，否則通話就會(hui) 變得混亂(luan) ，聽起來像是胡言亂(luan) 語。這就是現在的電信公司都配有原子鍾的原因——保持計算機之間的時刻幾乎完全同步。
 

　　10。 下一代原子鍾保持精準的時間或許能與(yu) 宇宙年齡相當

　　科學家們(men) 一直在構思使原子鍾越來越精確的方法。美國佐治亞(ya) 理工學院和內(nei) 華達大學的研究人員取得了一個(ge) 令人興(xing) 奮的進展。用極其簡化的術語來說，他們(men) 想用激光來重新排列原子的各個(ge) 部分，從(cong) 而利用一個(ge) 繞軌道運行的中子（而不是電子）作為(wei) “鍾擺”。結果可能就是一個(ge) 比現在任何時原子鍾都精確上百倍的時鍾，據估計到140億(yi) 年後隻損失或增加不到二十分之一秒。


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