原子时——（极其）简短的原子钟入门
原子钟是人类迄今创造的最精确的计时仪器。它们依托原子的量子物理来定义秒，其精确度足以支撑GPS、同步数字网络、保障全球系统的安全，并为新的科学发现开辟道路。从铯133到正在研发中的光钟，原子钟体现了理论与技术的结合，也体现了物质的稳定性与人类以绝对严谨来测量时间的普遍需求之间的联结。
讲座完整视频
R
内容摘要
以下文字是以原子时为主题的RODA的内容摘要。该活动于刚刚过去的9月18日在里斯本的Museu Medeiros e Almeida举行。会上，Joana Ferreira代表Museu Medeiros e Almeida致谢，Nuno Margalha代表IPR - Instituto Português de Relojoaria致谢，随后Miguel Lino用约一个半小时，对原子时——我们这个时代的时间——这一迷人的领域作了一种通俗易懂的阐释。
第一部分 — 什么是原子钟？什么是原子？
1）时间的概念
在定义原子钟之前，不妨先探讨时间这一概念本身。时间可以被理解为某一事件、过程或状态存在或演变的时段；可以被理解为看似不可逆的事件的连续推进；可以被理解为在钟表上读取的东西；甚至可以被理解为一种社会建构、一种幻象。这些视角表明，时间既是一种物理现实，也是一种人类约定。测量仪器使这两个维度得以统一，而原子钟正是其中最为精密复杂的一种。
2）什么是原子钟
原子钟是一种利用原子来测量时间的仪器。它的工作原理并非基于摆锤、摆轮或石英晶体，而是基于原子内部的一种跃迁，这种跃迁能够提供参考频率。当今一级标准的例子包括Microchip 5071A，这是一台铯钟，可以代表这一类仪器。
3）国际单位制中的秒
几个世纪以来，秒一直被定义为平太阳日的一部分，即地球自转一周的1/86 400。后来在1960年，秒被定义为1900年回归年的1/31 556 925.9747。这些都是天文学意义上的定义，由于地球自转并不完全均匀，因而存在局限。
1967年，秒的定义发生了根本性的变化：秒被定义为铯133原子基态超精细能级跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。2018年，又补充说明这一跃迁必须在原子未受扰动的基态下测量。这一飞跃使时间单位脱离了天文学领域，转而立足于原子物理学，从而保证了更高的稳定性和普适性。
历史脉络展示了这一演变：1657年，摆钟使人们能够稳定地计量秒；约1874年，各类系统已能实现更精确的读数；1927年，石英钟作为一种稳定的替代方案问世；最终在1967年，秒的国际标准被锚定在铯133上。还需要记住的是，作为时间细分单位的秒，其概念源于古代的六十进制——一种用于追踪天体运行的纯数学划分。
4）什么构成一项标准
一项定义要被接受为标准，必须满足四项基本要求：必须具有普适性，即不受时间和地点的影响；必须具有可复现性，即在任何配备适当设备的实验室中都能复现；必须具有不变性，即不随时间而改变；还必须具有精确性，即提供尽可能高的准确度。此外，标准必须源于国际共识，才能得到广泛认可。原子具有明确而稳定的跃迁，因而满足这些条件。
5）秒在国际单位制中的地位
秒是国际单位制七个基本单位之一。其余六个是：坎德拉（发光强度）、开尔文（温度）、安培（电流）、米（长度）、千克（质量）和摩尔（物质的量）。这些单位都各自与某个基本常数或不变的物理现象相关联而定义。秒由铯133超精细跃迁的频率来定义，因而与这些物理量处于同等严谨的层面。
6）什么是原子
原子是保持化学元素性质的基本单元。它由质子和中子构成的原子核以及绕核运动的电子组成。从历史上看，1920年的Bohr模型引入了离散能级的概念：电子可以从一个轨道跃迁到另一个轨道，同时释放或吸收与光子频率成正比的能量。1925年，Schrödinger模型不再把电子描述为固定轨道上的粒子，而是描述为概率分布，即所谓的“轨道”。
电子跃迁是一种量子化现象：每当电子改变能级时，就会按照Planck–Einstein关系式，发射或吸收与某一确定频率成正比的能量。这意味着每种原子都拥有一种独特的“签名”，一个可以用作参考的频率“音符”。
超精细跃迁
在各种可能的跃迁中，超精细跃迁最为稳定。它源于原子核磁矩与电子磁矩之间的相互作用。这种跃迁对磁场、电场、压力或温度等外部干扰的敏感程度要低得多。正是由于其稳定性和规律性，铯133的超精细跃迁才被用来定义秒。
7）原子作为参考的标准
一种原子或同位素要被采纳为时间参考，必须满足若干条件：具有稳定且明确的能级；呈现特定且可测量的跃迁；对温度和磁场等外部影响不敏感；具有高频跃迁，以提高可实现的精度；并且长期稳定。
铯133满足这些要求。它的超精细跃迁频率高、极其稳定且易于测量。9 192 631 770 Hz这一精确数值对应于一秒的长度。
8）为什么是铯133
电子跃迁的频率因原子而异，因为它取决于原子核中的质子数以及电子之间的相互作用。在所有原子中，铯133之所以脱颖而出，是因为它具备作为时间标准的理想条件：它的超精细跃迁具有高、稳定且易于测量的频率，从而能够实现一致且普遍可复现的精度水平。此外，它还是一种稳定、无放射性且供应充足的同位素，这些特性使其能够在国际范围内使用。
从化学角度看，铯是一种与空气接触时极易发生反应的碱金属，因此在操作和储存时需要严格的防护措施。不过，这种反应性并不影响它作为计量参考的作用。
需要强调的是，铯133并不是参考钟所使用的唯一原子种类。氢脉泽钟同样发挥着重要作用，尤其是作为短期稳定度的标准，在建立国际时间尺度时与铯形成互补。
其他元素则应用于不同的架构中。在微波钟中，铷常被用作便携式和商用系统中的实用替代方案。而在目前仍处于研发和完善阶段的光钟中，则采用锶、镱和铝等原子，它们的光学跃迁频率远高于铯，有望大幅超越目前所达到的精度。
尽管有这些进展，人们对光钟的兴趣也日益浓厚，但铯133仍然是定义秒的官方国际标准，它得到国际单位制的认可，并以数十年来在时间频率计量中的应用为支撑。
9）第一部分小结
原子钟是一种利用原子来测量时间的仪器，它以电子的超精细跃迁作为参考。这一参考体现为一个特定且极其稳定的频率。定义时间基本单位——秒——的，正是铯133原子钟。
而原子则是保持元素性质的物质基本单元。电子在离散的能级上绕原子核运动，它们在能级之间的跃迁会释放或吸收与精确频率成正比的能量。正是这一性质，使原子得以成为测量时间的通用标准。
第二部分 — 原子钟的精度与用途
1）对精度的追求
计时的历史可以被解读为一连串减少误差的努力。人类始终在寻找能够更严谨地组织社会生活、农业、航海和科学的工具。从观测太阳到光钟中所用的激光，这段年表揭示了一条通向精确的演进之路。
约公元前1176年，古埃及人的日晷能够规范日常和宗教活动，但误差以小时计。约1300年在欧洲出现的中世纪机械钟，将这一误差缩小到每天约15分钟，主要用于宗教和科学目的。1657年，借助Christiaan Huygens的摆钟，精度达到每天约1分钟，实现了显著的飞跃。
1759年由John Harrison制作的H4航海天文钟，精度达到每天十分之几秒，彻底改变了海上航行。19世纪至20世纪初，钟表匠们不断改进机构，而到了1927年，一种新的解决方案出现了：由Marrison和Horton研制的石英钟，它将误差降低到每天微秒级，使工业应用、交通运输和电信成为可能。
重大转折始于1948年，Isidor Rabi和Harold Lyons为原子钟开辟了道路。借助原子钟，精度达到每年零点几秒，并迅速提升到数百万年、如今甚至数万亿年误差1秒的水平。1955年，Louis Essen和Jack Parry制成了第一台铯束原子钟，从而为秒的重新定义奠定了决定性的基础。
2）原子钟的类型
原子钟并不是一个同质的群体：存在多种技术，它们工作于不同的频率和能量范围。
在微波钟这一类别中，包括：
Beam（铯原子束），经典技术。
Fountain（原子喷泉），冷却后的原子被垂直上抛，在自由下落过程中穿过微波腔。
氢脉泽钟，利用氢原子共振产生的微波。
蒸气泡（vapor cell），结构更紧凑，适用于小型设备。
在光钟这一类别中，则有：
光晶格（lattice clocks），原子被囚禁在由激光构成的晶格中。
囚禁离子（trapped ions），一个或少数几个离子被限制在电磁阱中。
核钟或固态钟，仍处于实验阶段，利用更高能量尺度上的能级跃迁。
微波钟使用的频率在千兆赫兹量级，而光钟则工作在高得多的尺度上，可达太赫兹乃至拍赫兹。因此，光钟能够实现更高的精度，误差可低至数百万亿年仅1秒。
3）限制精度的因素
人们很自然地会认为，参考频率越高，时钟就越精确。但这一推理并不总是直接成立。还有其他因素会影响其运行：
在机械钟表中，干扰因素包括温度、重力、摩擦、冲击以及制造质量。
在石英钟表中，温度、老化、电容以及可用能量都会产生影响。
在原子钟中，则会出现相对论效应、磁场以及电子元件老化等问题。
误差分为系统误差和随机误差：前者可以预测和校正，后者则需要概率模型来处理。无论如何，原子钟都远远优于其他方案，但它们仍然并不完美。
4）原子钟有什么用
原子钟的用途极为广泛，对当代社会的运转至关重要。
标准化
原子钟定义了国际单位制中的时间单位。秒由Cs-133的超精细跃迁确定，这种标准化保证了全球的一致性。如果没有一个统一而通用的标准，每个国家或每个系统都可能随时间推移而产生偏移，在科学、工业和日常生活中造成不可接受的差异。
导航
GPS及其他GNSS等卫星导航系统完全依赖于安装在卫星上的原子钟。卫星发出的信号与设备（例如手机）接收到的信号之间的时间差，可以用来计算用户的位置。要精确确定纬度、经度和高度，至少需要四颗卫星。时间测量的精度直接转化为定位的精度。
全球同步
数字社会要求信息同步流动。NTP（Network Time Protocol）等协议使计算机、服务器和网络能够共享一个基于UTC的共同参考时间。这对于金融交易、数字安全、媒体、电信、在线会议和内容流媒体都至关重要。就连科学研究也依赖这种同步，才能连贯一致地处理数据。
安全与防务
原子钟还具有战略意义。它们使各国能够维持独立于国际网络的本国标准，从而在遭受攻击或发生故障时保持韧性。它们对于协调军事行动、电子战和通信加密都不可或缺。它们有助于保障数据库安全，避免灾难性故障；还能实现电网同步，防止停电。它们在相量测量装置中的应用，保证了现代能源网络的稳定。
工业与科学
在工业领域，原子钟保障了高精度的制造与自动化流程。在科学领域，它们使研究极其快速或细微的现象成为可能。它们支持基础物理研究、相对论实验、射电天文观测以及与引力波探测相关的测量。总之，原子钟是更好地理解宇宙、探索新技术不可或缺的工具。
5）UTC与时间的全球化
为了让世界保持协调一致的时间，人们建立了一套国际体系。国际原子时（TAI）是约450台原子钟的加权平均值，这些原子钟分布在80个国家的85个实验室中。每月，相关数据都会被汇集和处理，以提供一个通用的参考。
而协调世界时（UTC）源自TAI，但会通过UT1时间尺度根据地球自转进行调整。必要时会增加或减少闰秒，使UTC不会与太阳时相差太远。UTC于1975年获得国际计量大会的正式认可，如今已成为电信、交通、数字网络以及几乎所有依赖同步的领域的全球标准。
目前，UT1与TAI之间的差值约为几十秒，这正是闰秒机制存在的理由。因此，UTC是围绕时间开展国际合作最具体的体现。
6）第二部分小结
原子钟是当今我们所拥有的最精确的计时仪器。它们分为微波钟和光钟两大类，并有多种技术适用于不同的用途。其精度从数千年误差1秒，一直到数百万亿年误差1秒。
它们的作用远不止于理论：它们保证了单位的标准化，使全球导航成为可能，确保了数字网络和电信的同步，加强了国家和国际安全，并推动了科学和工业的进步。
它们也是典范性国际合作的成果，涉及80个国家和数百台时钟，共同支撑着国际原子时和协调世界时。没有原子钟，我们所熟知的现代生活将无从谈起。
第三部分 — 原子钟如何工作
1）基本原理
原子钟并不是从原子中“产生”时间：它所做的，是把原子用作参考音叉，来校准一个电子振荡器，通常是石英振荡器。振荡器输出一个电信号（例如10 MHz），随后可以转换为1 Hz，即对应一秒。原子的作用是不断校正振荡器，使其永不偏离。
最能说明这一过程的经典架构是铯束原子钟。这个模型看似复杂，但每一个环节都有明确的目的。
2）主要组成部分
原子
其基础是铯133同位素，它稳定且无放射性，从铯榴石矿物中提取。正是这种原子含有被用作标准的超精细跃迁。
原子炉
第一步是把固态铯转变为原子束。这一过程在原子炉中进行，原子炉将材料加热至汽化。原子束通过微通道进行准直，即被整理成平行的轨迹。原子炉工作在分子流状态下，使原子能够在没有过多碰撞的情况下逸出。
真空
原子束进入一个超高真空（UHV）腔室，压力低于10⁻⁹ mbar。这一环境避免了铯原子与空气分子之间的碰撞，保持了原子束的相干性。
磁选态器A
一块类似Stern–Gerlach装置的磁铁，只选出处于正确基态的原子。这是一种量子态筛选过程：只有所需的原子才能继续前进。
射频腔
系统的核心是Ramsey射频腔。在这里，射频波与原子相互作用。射频信号来自一个压控石英晶体振荡器（VCXO），并经过频率合成器和混频器。射频腔向原子施加能量，如果频率调节正确，就会诱发超精细跃迁。目标是使振荡器的信号与跃迁的固有频率对齐：9.192 631 770 GHz。
频率合成器与混频器
频率合成器把基础频率（例如振荡器的10 MHz）转换为高得多的千兆赫兹量级数值。混频器则可以对信号进行精细调节，直至与铯超精细跃迁的频率完全一致。
磁选态器B
经过射频腔之后，第二个磁选态器会选出那些确实已跃迁至较高能级的原子。与第一个选态器一样，这也是一种状态选择机制。
探测
接下来是探测环节，通过电离来完成。原子撞击一根加热的金属丝（hot wire）时被电离，产生的离子由离子收集器（法拉第杯）收集。探测到的原子数量转化为电信号，用以指示跃迁的效率。
放大与比较
输出信号经过放大后，与混频器的信号进行比较。两者之间的差异表现为电压差。如果没有差异（ΔV＝0），就说明石英振荡器已与铯的跃迁频率完全调谐一致。如果存在偏差，该电压就会被用来自动校正VCXO。
频率输出
经过校正的振荡器提供稳定的10 MHz输出，可由分频器转换为1 Hz，即每秒一个脉冲。这就是可供使用的信号，为电子系统、电信网络、卫星以及一切依赖精确时间的基础设施提供支持。
3）历史实例
第一台铯原子钟于1955年由Louis Essen和Jack Parry制成。几年后的1959年，美国出现了NBS-1。1972年，Hewlett-Packard推出了5061A型号，这一商用标准成为经典，被广泛应用于实验室和电信领域。
几十年来，束式原子钟逐渐被原子喷泉、囚禁离子以及近年来的光钟所取代。尽管如此，铯束依然是秒的国际标准的基础。
4）现代变体与小型化
传统的束式原子钟功耗在20至40 W之间，精度约为317万年误差1秒。而小型化开辟了新的可能：所谓的Chip-Scale Atomic Clocks（CSAC），基于Coherent Population Trapping（CPT）等技术，体积小巧，功耗仅为100 mW。虽然精度较低（约3170年误差1秒），但其稳定性足以满足移动、便携和军事应用的需求。
CPT基于一种奇特的现象：当原子进入某种特定的激发态时，便不再吸收能量，对激光变得透明。这使得频率测量能够以更紧凑、更高效的方式进行。
5）第三部分小结
原子钟的工作原理建立在一种将量子物理与电子工程相结合的架构之上。铯原子提供稳定且不变的参考；石英振荡器在这一参考的持续校准下，产生可供使用的信号。
整个过程包括原子的准备（原子炉、真空、磁选态器）、射频激发、状态探测、信号比较以及振荡器的自动校正等环节。最终得到的是一个精确的输出频率，并被转换为秒。
原子是音叉，振荡器是乐器：二者共同产生了现代时间测量所依托的精确节拍。
留言