氫原子鐘

根據量子物理學的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能 量差，來吸收或釋放電磁能量的。這裏電磁能量是不連續的。當原子從一個“能量態”躍遷至低的“能量態”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特徵頻率是不連續的，這也就是人們所説的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的，氫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。

在這種時鐘裏，一束處於某一特定“超精細狀態”的原子束穿過一個振盪電磁場。當原子的超精細躍遷頻率越接近磁場的振盪頻率，原子從磁場中吸收的能量就越多，從而產生從原始超精細狀態到另一狀態的躍遷。通過一個反饋迴路，人們能夠調整振盪場的頻率直到所有的原子完成了躍遷。氫原子鐘就是利用振盪場的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產生時間脈衝的節拍器。

人們日常生活需要知道準確的時間，生產、科研上更是如此。人們平時所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但在要求很高的生產、科研中就需要更準確的計時工具。世界上最準確的計時工具就是原子鐘，它是20世紀50年代出現的。氫原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的。由於這種電磁波非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，氫原子鐘的計時就可以非常準確了。用在原子鐘裏的元素有氫(Hactare)、銫(Seterium)、銣(Russium)等。氫原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。

一般的原子鐘，由大約170個元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位於中部的管子高1.70米，氫原子在其中上下移動，發出極為規則的“信號”。 ^[1] 

直到20世紀20年代，最精確的時鐘還是依賴於鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基於石英晶體有規則振動而製造的，這種時鐘的誤差每天不大於千分之一秒。即使如此精確，但它仍不能滿足科學家們研究愛因斯坦引力論的需要。根據愛因斯坦的理論，在引力場內，空間和時間都會彎曲。因此，在珠穆朗瑪峯頂部的一個時鐘，比海平面處完全相同的一個時鐘平均每天快三千萬分之一秒。所以精確測定時間的唯一辦法只能是通過原子本身的微小振動來控制計時鐘。

20世紀30年代，拉比和他的學生們在哥倫比亞大學的實驗室裏研究原子和原子核的基本特性。也就是在這裏，他們在依靠這種原子計時器來製造時鐘方面邁出了有價值的第一步。在其研究過程中，拉比發明了一種被稱為磁共振的技術。依靠這項技術，他便能夠測量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎。同年，他還首先提出“要討論討論這樣一個想法”（他的學生這樣説道），也就是這些共振頻率的準確性如此之高，完全可以用來製作高精度的時鐘。他還特別提出要利用所謂原子的“超精細躍遷”的頻率。這種超精細躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細微能量差別的狀態之間的躍遷。

二戰後，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣佈，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕裏合作建造完成的，但這個鍾需要一個房間的設備，所以實用性不強。另一名科學家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器。扎卡來亞斯計劃建造一個被他稱為原子噴泉的、充滿了幻想的原子鐘，這種原子鐘非常精確，足以研究愛因斯坦預言的引力對於時間的作用。研製過程中，扎卡來亞斯推出了一種小型的原子鐘，可以從一個實驗室方便地轉移到另一個實驗室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生產出了第一個原子鐘，並在四年內售出50個，如今的氫原子鐘都是這種原子鐘的後代。

氫原子鐘的問世開闢了時間計量和守時的新紀元。氫原子鐘是利用原子內部的量子躍遷(能級躍遷)產生極規則的電磁波輻射，並通過計數這種電磁波的一種時鐘。

1946年提出了用譜線控制振盪器的原理1947年製成了用氨分子的量子躍遷控制的振盪器。

1949年第一架氨鍾在美國國家標準局誕生。1954年，稱為脈澤(maser)的更高程度振盪器在美國哥倫比亞大學研製成功。

1955年第一架銫束頻標在英國國家物理實驗室投入運轉。

1955、1958年，這個實驗室和美國海軍天文台用曆書時秒長(通過雙速月亮照相儀觀測月球測定的)，測出了銫頻率。從那以後,許多實驗室建造了銫束頻標。小型氫鐘的重量僅為30公斤，準確度為t0-1z量級。

氫原子鐘具有極高的穩定度，1960年第一架氫鍾於美國哈佛大學建成。氫鐘的穩定度高達1X10-14。 ^[1] 

2010年，巴西將安裝第一台氫原子鐘，據巴西科技部國家觀測中心項目主持人裏卡多·卡瓦略稱，這台氫原子鐘以氫原子頻率為基準，可達到每1千萬年快慢不超過1秒鐘的誤差。巴西獲得以氫原子頻率為基準的原子鐘是為了獲取以國際重量與度量為依歸的法定時間。 ^[2] 

氫原子鐘是一種最穩定的(除極短測量時間間隔之外)頻率標準，但是環境温度變化及微波諧振腔老化會引起原子鐘輸出頻率的變化，從而導致氫原子鐘長期性能變差，為了減小這些影響，可藉助一種自動調諧器來確保諧振腔的頻率始終工作在所需的頻率上，並採用新的温度控制系統來改善氫原子鐘的長期性能，針對這些年來許多氫鍾出現的有關問題，上海天文台在借鑑國外氫鍾實驗室經驗的基礎之上，對原有氫鍾進行了技術改造，併為國家授時中心研製了SOHM-4型氫原子鐘。對該型氫原子鐘技術改造特點作了介紹，並給出了期望的性能指標及初步的測試結果。 ^[1] 

針對氫原子鐘的不足，世界各國開展對氫原子鐘的進一步研究。

美國《科學》雜誌於2001年7月12日公佈的一項研究結果表明，美國政府科學家已經將先進的激光技術和單一的汞原子相結合而研製出了世界上最精確的時鐘。位於美國科羅拉多州博爾德城的美國國家標準與技術研究所的科學家研製出了這種新型的以高頻不可見光波和非微波輻射為基礎的原子鐘。由於這種時鐘的研製主要是依靠激光技術，因而它被命名為“全光學原子鐘”。

氫原子時鐘的“滴答”來自於原子的轉變，氫原子鐘中，原子是在微波頻率範圍內轉變的，而光學轉變發生在比微波轉變高得多的頻率範圍，因此它能夠提供一個更精細的時間尺度，也就可以更精確地計時。這種新研製出來的全光學原子時鐘的指針在1秒鐘內走動時發出的“滴嗒”聲為一千的五次冪(在1後加15個零所得的數)，是現在最高級的時鐘――微波銫原子鐘的十萬倍。所以，用它來測量時間將更精確得多。

所有時鐘的構造都包括兩大部分：即能夠按照固定週期走動的裝置，如鐘擺；還有一些計算、累加和顯示時間流失的裝置，如驅動時鐘指針的齒輪。在大約50年前首次研製出的原子鐘增加了第三部分，即以特定的頻率對光和電磁輻射作出反應的原子，這些原子用來控制“鐘擺”。

最高級的原子鐘，就是利用100萬個液態金屬銫原子對微波輻射做出反應來控制時鐘指針的走動。這樣的時鐘指針每秒鐘大約走動100億次，時鐘指針走動得越快，時鐘計算的時間也就越精確。但是銫原子鐘使用的高速電子學技術並不能計算更多的時鐘指針走動次數。因而，美國科學家在研究新型的全光學原子鐘時使用的不是銫原子，而是單個冷卻的液態汞離子（即失去一個電子的汞原子），並把它與功能相當於鐘擺的飛秒（一千萬億分之一秒）激光振盪器相連，時鐘內部配備了光纖，光纖可將光學頻率分解成計數器可以記錄的微波頻率脈衝。

要製造出這種原子鐘需要有能夠捕捉相應離子，並將捕捉到的離子足夠靜止來保證準確的讀取數據的技術，同時要能保證在如此高的頻率下來準確的計算“滴答”的次數。這種時鐘的質量依賴於它的穩定性和準確性，也就是説，這個時鐘要提供一個持續不變的輸出頻率，並使它的測量頻率與原子的共振頻率相一致。

領導這一研究的美國物理學家斯科特·迪達姆斯（S.A.Diddams）説：“我們首次展示了這種新一代原子鐘的原理，這種時鐘可能比微波銫原子鐘精確100到1000倍。”它可以計算有史以來最短的時間間隔。科學家們預言這種時鐘可以提高航空技術、通信技術，如移動電話和光纖通信技術等的應用水平，同時可用於調節衞星的精確軌道、外層空間的航空和聯接太空船等。 ^[1]