關於原子鐘的10個奇妙事實
2021年01月19日08:58
兩名遊客在華盛頓特區的美國海軍天文台參觀原子鐘
兩名遊客在華盛頓特區的美國海軍天文台參觀原子鐘

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

  不過,與原子彈不同的是,原子鐘既不會分裂原子,也不會爆炸,而是使用原子振盪頻率標準來計算並保持時間的準確。由於原子振盪所涉及的時間單位非常小(如銫原子的振盪頻率為每秒9,192,631,770個週期),而且異常穩定,以這種振盪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,原子鐘已經成為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系統等複雜系統之間的時間同步成為可能。不過,儘管原子鐘已經成為我們生活中不可或缺的一部分,但它仍然有點神秘。以下就是關於這些精密設備的10個奇妙事實。

  1。 原子鐘改變了我們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——並以此為基礎來確定單位時間。例如,傳統上1秒鍾就被定義為平均太陽日的1/86400(在一些天文及法律的定義中仍然適用)。

  然而,隨著原子鐘的出現,人們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,秒被重新定義為同位素銫-133原子基態兩個超精細能級間躍遷輻射振盪9,192,631,770個週期所需要的時間。

  2。 原子鐘使用每個銫原子中的一個電子來計時

電子繞著原子的中心運轉
電子繞著原子的中心運轉

  正如前面所解釋的,電子繞原子的中心運行,而這個中心就是原子核。想像一個極小的太陽系,有很多行星圍繞著太陽轉,就相當於大致的原子結構。物理學家發現,電子的運動極為規律——它們往往停留在一個狹窄的軌道範圍內,與原子核的距離取決於它們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。

  以用於原子鐘的銫為例,科學家只關注該元素55個電子中的一個,即最外層的那個電子,它所佔據的軌道明顯高於其他電子。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9,192,631,770個週期的輻射頻率。科學家們就是以此來估算時間,並將時間分解為不到十億分之一秒的極短單位。

  3。 原子鐘現在已經非常可靠,但最初的原子鐘並非如此

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

  最終,科學家轉而使用振盪更短的銫,並通過各種方式改進了設計。1959年的一台原子鐘模型成功地使時間誤差達到每2000年誤差1秒;到1964年,原子鐘已經變得極為精確,需要6000年時間才能達到加減1秒的誤差。今天,最先進的原子鐘可以達到數億年時間內誤差不超過1秒的標準。

  4。 銫,用於原子鐘的東西,是一種奇怪的元素

德國科學家羅伯特·威廉·本生,拍攝於1870年左右
德國科學家羅伯特·威廉·本生,拍攝於1870年左右

  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名為“Alt.cesium”的新聞組,致力於“討論、讚美、敬奉、崇拜和發佈關於這種最崇高元素的歌曲、詩歌、故事和寓言”。銫通常被稱為“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佈。產量最大的銫-133天然來源是一種稀有的礦物質,稱為銫沸石(pollucite)。儘管銫是一種金屬,但它可以在非常低的溫度下熔化,熔點僅為28.4攝氏度,是少數在接近室溫條件下為液態的金屬元素之一。當銫接觸到冷水時會發生爆炸反應。在空氣中,銫有時會自發燃燒,出現明亮的天藍色火焰。

  5。 原子鐘的計時實際上用的是一大塊石英,而不是單個銫原子

奧馬爾·布拉德利將軍(1893—1981)是美軍二戰期間的主要指揮官,他正在展示一台由他的公司生產的石英鍾,下方是一台原子鐘
奧馬爾·布拉德利將軍(1893—1981)是美軍二戰期間的主要指揮官,他正在展示一台由他的公司生產的石英鍾,下方是一台原子鐘

  你可能會對這一點感到困惑,因為前面已經說明了原子鐘是利用了銫的振盪才變得更加精確。但在原子鐘內部,真正計時的部分是一個標準的石英晶體振盪器,它將一塊晶體置於電流中,使其振盪。不同之處在於,在大多數普通的石英鍾中,振盪器在製造過程一開始就被精確調整,之後就不會檢查或調整它的頻率,這意味著隨著時間的推移,輕微的變化也會使石英鍾變快或變慢。然而,在原子鐘中,銫的振盪可以檢查石英晶體裝置的頻率,從而保持驚人的計時準確性。

  6。 2008年,地球上的每個原子鐘都同時增加了一秒

  2008年12月31日晚7點前,科學家們將世界各地的原子鐘都提前了一秒,以使基於原子時秒長的協調世界時(UTC)與地球自轉同步。這並不是原子鐘的問題,而是地球的自轉會每天大約減慢兩毫秒,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。

世界各地的原子鐘會定期重置,以確保與協調世界時保持同步
世界各地的原子鐘會定期重置,以確保與協調世界時保持同步

  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鐘。這種差異需要幾百年的時間才能顯現出來,但為了防止這種情況發生,1972年的一項國際協議規定,原子鐘將定期與協調世界時同步調整。

  7。 用原子鐘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。這個概念最早是一個世紀前由物理學家愛因斯坦提出的,他的狹義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。他們將兩個原子鐘分別放置在海平面上方相隔30釐米的地方,發現位置更高的原子鐘運行的速度越快。當然,從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,山上的居民會多衰老約900億分之一秒。

  8。 科學家利用激光束使原子鐘更精確

  原子鐘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。傳統原子鐘的局限性在於,微波只能捕捉到一小部分銫原子,而通過將原子置於激光束中——這個過程被稱為激光抽運(laser optical pumping)——就可以減慢原子的速度,使微波有更多的機會擊中它們,從而產生了更精確的信號,使科學家能夠使用銫原子振盪來更準確地標記時間。奇怪的是,這一過程也會冷卻銫原子,甚至能低至開爾文溫標的百萬分之一度,幾乎就是絕對零度。

隨著科技的發展,原子鐘正變得越來越精確
隨著科技的發展,原子鐘正變得越來越精確

  9。 原子鐘讓你的電話交談更加容易

  如今,電信公司以數據包(packet)的形式來傳輸語音,這使他們能夠在同一時間通過電話線傳輸大量的通話。當你給另一個城市的人打電話時,你的語音會被分解並在兩端的計算機之間傳輸,一個對話與另一個對話之間會來回往複,每秒鍾可達數千次。然而,要實現這一切,兩台計算機必須保持完美的同步,否則通話就會變得混亂,聽起來像是胡言亂語。這就是現在的電信公司都配有原子鐘的原因——保持計算機之間的時刻幾乎完全同步。

  10。 下一代原子鐘保持精準的時間或許能與宇宙年齡相當

  科學家們一直在構思使原子鐘越來越精確的方法。美國佐治亞理工學院和內華達大學的研究人員取得了一個令人興奮的進展。用極其簡化的術語來說,他們想用激光來重新排列原子的各個部分,從而利用一個繞軌道運行的中子(而不是電子)作為“鍾擺”。結果可能就是一個比現在任何時原子鐘都精確上百倍的時鍾,據估計到140億年後只損失或增加不到二十分之一秒。(任天)

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