探索原子钟：计时精准的微观世界奥秘

从古老的日晷依靠太阳影子计时，到机械钟表利用复杂齿轮传动，再到石英钟凭借石英晶体振荡，人类计时工具不断演进。然而，当原子钟出现，计时精准度实现了质的飞跃，开启了全新计时篇章。

原子钟，堪称计时领域的 “王者”，它通过测量某些元素中稳定的原子能级之间的跃迁频率，作为时间间隔基准。原子中电子围绕原子核的周期运动，极为稳定，不受温度、气压、重力等外界环境因素过多干扰。这种稳定性使得原子钟的计时精度令人惊叹，像 2020 年底美国科学家利用量子纠缠现象设计出的原子钟，运行约 140 亿年，时间精度可保持在 1/10 秒之内。

20 世纪 30 年代，原子钟研究迈出关键一步，科学家在原子计时器制造时钟方面取得实质性进展。1945 年，拉比提出将磁共振技术运用到钟计量中，拉开原子钟研究序幕。1949 年，世界上第一台原子钟研制成功。1955 年，第一台铯束原子钟诞生，开创实用型原子钟新纪元。此后，随着激光冷却和原子俘获及更精密的激光光谱等技术应用，原子钟精确度大幅提高。进入 21 世纪，新一代原子钟实现芯片级跃升，稳定性和精密性极大优化，还进入商业化推广阶段。2016 年，中国第一台空间冷原子钟问世，这是世界上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。

原子钟家族多样，主要分为传统型原子钟和新一代原子钟。传统型原子钟中，铷原子钟用铷同位素原子超精细结构能级跃迁微波吸收谱线作为频率基准，对晶振频率自动控制，得到高稳定度标准频率和时间信号，其物理部分利用铷原子给出精准信号，电路部分将精准信号转变成可应用的频率信号；氢原子钟以氢原子为物理基础，利用氢原子基态超精细能级跃迁信号精确计时，精度可达数百万年甚至 1 千万年仅有 1 秒误差，具有中短期频率稳定度优异、频率漂移率低特点；铯原子钟又称 “喷泉钟”，铯原子像喷泉一样 “升降”，使频率计算更精确，精确度约为 1 亿年误差不超过 1 秒，属于微波钟，采用原子跃迁吸收微波波段频率。

新一代原子钟里，冷原子钟把原子某两个能级之间的跃迁信号作为参考频率输出信号，利用激光使原子温度降至绝对零度附近，减少原子能级跃迁频率受外界干扰，从而实现更高精度，可应用于基础研究，也可与 “北斗” 卫星上原子钟同步提升导航精度；CPT 原子钟基于相干布居囚禁理论实现，具有体积小、功耗低、结构简单等优势，在卫星导航定位、信息通信、时间同步等领域应用前景广泛；光钟以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准，由于工作频段比微波钟高 4 到 5 个数量级，精度更高，比如锶原子光晶格钟能把时间测量准确度提高到 35 亿年不差一秒。

原子钟应用广泛，在科研领域，“甚长基线干涉测量” 技术受地面天线参考时钟频率不稳定限制，意大利科学家利用量子光纤骨干网将原子钟发射的激光信号发送到射电望远镜，提供超精确频率参考，实现天体物理学组合观测，为高分辨率天文观测开辟新视角；在国防领域，精准时间系统是网络作战关键，原子钟对时间频率同步精度发挥重要作用，芯片原子钟可作为多种导航设备时钟源，还可与陀螺仪和加速度计组合实现微型定位、导航与授时；在导航领域，GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略四大全球导航系统卫星均配置高性能原子钟，氢钟对导航信号精度提升有益；在航天领域，中国 “梦天” 实验舱搭载世界上第一套空间冷原子钟组，是太空中最精准的时间频率系统，精准度约 50 亿年误差 1 秒；在授时服务领域，北京时间是全世界 150 多台原子钟共同守时并加权平均后的结果，各种物理学常数测定、电力系统、通信系统等都离不开高精度原子钟，否则会引发电机故障、交通事故等问题。

尽管原子钟已达极高精准度，但科学家仍在探索提高精度的方法。未来，原子钟有望实现几亿年、几十亿年只差一秒的精度，为人类探索宇宙、研究微观世界等提供更有力支持，让我们对时间的认知和利用迈向新高度。