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原子钟

原子钟
NIST-F1喷泉原子钟,是美国时间和频率标准,其不确定度约为3×10(2013年)。

原子钟是一种时钟,它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准,也是国际时间和频率转换的基准,用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号。

原子钟并不使用放射性计时,而是使用电子转变能级时释放的精确微波讯号。早期的原子钟为附上工具的激微波。今天最好的原子钟是以原子喷泉中冷原子的吸收光谱法作为基础的。

历史

原子钟
芯片级,例如这个2004年出现的原子钟,被认为可以大幅提高GPS定位能力

利用原子迁越来估算时间的概念在1879年首次由开尔文男爵提出。 磁共振的方法则由伊西多·拉比在1930年代发展出来,并成为制作原子钟的核心技术。 1945年,拉比首次公开宣称原子束磁共振可用于制作钟表。 第一个原子钟是氨微波激射器,1949年制成于美国的国家标准局(National Bureau of Standards)。但这个原子钟还没有现在的石英钟准确。 1955年,第一个精确的原子钟由路易斯·埃森根据铯-133的迁越制成于英国国家物理实验室。 铯原子钟的标度依照天文学的星历时(ET)。 自1950年代以来,原子钟开始依靠氢-1、铯-133和铷-87的超精细迁越制造。第一个商业化的原子钟是National Company制造的Atomichron,这种原子钟在1956年至1960年间售出至少50个。这些初代商业原子钟巨大而笨重,1964年被更轻巧的机架式原子钟取代。 2004年8月,国家标准技术研究所的科学家发明出了芯片尺寸的原子钟, 根据研究人员所述,这种新的原子钟比其同类要小100倍,所需能量不过125mW。 因此该原子钟可以使用电池来续航,2011年此技术开始商业化。

国家标准技术研究所

... 发展提供投资担保的计划。 Malcolm Baldrige国家品质奖(Malcolm Baldrige National Quality Award)计划。 NIST的Boulder实验室以其拥有的NIST-F1原子钟而广为人知。NIST-F1是全国标准时间源,它从铯的自然共振频率来定义秒,NIST通过位于科罗拉多州柯林斯堡的WWVB长波电台 ...

广义相对论

... 叫做引力时间膨胀。 引力红移已经在实验室中及在天文观测中得到证实和测量,而地球引力场中的引力时间延缓效应也已经通过原子钟进行过多次测量。当前的测量表明地球引力场的时间延缓会对全球定位系统的运行产生一定影响。这种效应在强引力场中的 ... 中达到顶峰;对这类实验的概述参见 Ohanian & Ruffini 1994,table 4.1 on p. 186。 通过比较地面上的原子钟和轨道卫星上的原子钟来检测GPS的工作一直在持续进行中;关于相应的相对论效应参 ...

电信

... 通信系统普遍对于时间同步提出很高的要求。精确定时技术与通讯技术发展之间有着紧密的联系。大多数现代广域通讯系统都以原子钟作为时间基准。 相关文章 通信 电信业 数字化革命 双音多频 信息时代 新媒体 波分复用

量子力学

... ,量子效应起了重要的作用,例如,激光的工作机制是爱因斯坦提出的受激发射、电子显微镜利用电子的波粒二象性来增加分辨率、原子钟使用束缚于原子的电子从一个能级跃迁至另一个能级时所发射出的微波信号的频率来计算与维持时间的准确性、核磁共振 ...

戴维·瓦恩兰

... : 用雷射冷却技术来冷却与控制被陷俘于保罗阱(Paul trap)里的离子,并且应用这技术制成比原子钟更准确的光学钟。 用陷俘离子(trapped ion)的概念来实现量子计算机的量子闸,最先制作出两个量子位元的 ... 在那里,他成为离子储存团队的领导人。应用激光冷却离子技术,这团队制做出至2012年为止最准确的原子钟,比较铯-133原子钟还要准确30倍。瓦恩兰又获聘在科罗拉多大学博尔德分校教书。 瓦恩兰是美国物理学会、美国光学学会 ...

相对论

... 由于粒子运动的速度相当接近光速(0.9c-0.9999c),故粒子加速器的设计和使用必须考虑相对论效应。 全球卫星定位系统的卫星上的原子钟,对精确定位非常重要。这些时钟同时受狭义相对论因高速运动而导致的时间变慢(-7.2 μs/日),和广义相对论因较 ...

广义相对论入门

... 快。相反地,更靠近引力场源的观察者处于较低的引力势,时间流易得较慢。极为简明地说明其原因,使用原子钟作为计量标准,测量两个事件的时间间隔,假设这时间间隔为光波周期的n倍,当下方的观察者向上方的观察者发送了 ... 现象也在天文学中观察来自白矮星天狼星B的光线时出现。与之相关的引力时间膨胀现象也被放在几万千米高空的原子钟观察到。 在这些实验中,只有水星近日点的进动出现在爱因斯坦最终于1916年出版的广义相对论中。后来对他的其他 ...

月球

... 的月球测距仪,测量月球到地球的距离,发现地月距离每年增加38毫米(虽然每年只是月球轨道半径的0.1 ppb)。原子钟也显示地球的自转的一天,每年约减缓15微秒,在UTC的缓慢增加被闰秒加以调整。 潮汐拖曳会继续进行, ...

格林尼治平时

... 地球每天的自转是有些不规则的,而且正在缓慢减速,因此格林威治时间已经不再被作为标准时间使用。现在的标准时间,是由原子钟报时的协调世界时(UTC)。 参看 太阳时 地球日 恒星时 世界时(UT) 协调世界时(UTC)