时间是一个与人们日常生活密不可分的概念。 几千年来，人们一直在追求精确测量时间的方法。 从古代的日晷计时、滴水计时、沙漏计时到现代的钟摆计时，现在每天的时间误差可以在1秒以内。 20世纪的石英钟已将计时精度提高到日误差0.0001秒（万分之一）。 显然，如此高的计时精度对于人们的日常生活来说完全足够了。
但随着社会的进步，这种精度对于一些精密科学研究和国防建设领域来说远远不够。 时间甚至需要精确到百万分之一。 然而，地球的自转是不均匀的，所以测量的时间也不够准确。 这时，科学家注意到原子吸收光谱的稳定性，并将注意力转向基于原子跃迁的频率标准和时间标准的研究，原子钟技术应运而生。
我们知道，每个原子都有自己特有的振动频率，铯原子最外层第六层的电子总是以十亿分之几秒的极其精确的速度围绕原子核旋转。 圆，其稳定性远高于地球绕其轴自转的稳定性。 因此，一秒被定义为铯原子振动9 192 631 770（超过90亿）次所需的时间。 这是目前最稳定的时钟，可以达到2000万年只差一秒的水平。
20世纪50年代，铯原子钟（133Cs）研制成功，使石英钟的精度提高了一个数量级，标志着原子钟计时时代的到来。 1967年，第13届国际度量衡会议上，基于原子内部微观运动的时间周期定义取代了基于天体运动周期的传统时间单位，1秒被正式定义为两个超精细时间单位。铯原子基态的结构子能量。 9 192 631 770倍级间跃迁的电磁辐射周期，并以此为基础定义天文持续时间的准确值。 世界上第一个商用芯片级原子钟是美国CSAC。
当我们敲击果冻时，它会像钟摆的重量一样来回摆动，并且果冻会摆动固定的时间。 原子钟内部，有一块具有类似功能的石英。 如果被敲击，它每秒会振动500万次，并将时间误差维持在1秒左右，长达9万年。 这只是原子钟所需精度的一小部分，因为石英会因减慢速度并需要敲击才能恢复振荡而产生时间误差。 好吧，这就是原子钟的“原子”部分发挥作用的地方。 我们使用铯原子来非常精确地控制这些推动力，每当石英的振动减慢到最慢点时，就会在适当的时间对其进行电击，使其振动不会衰减。
纯铯原子主要以两种略有不同的形式（基态）存在：低能态（E1-F=3）和稍高能态（E2-F=4）。 选择铯原子的态有两种方法：磁态选择和光泵浦。
首先，我们介绍一下磁态选择方法。 对于原子钟来说，这两种状态有两个对于制作原子钟至关重要的特性：（1）这两种状态可以用磁铁分开； (2)如果用适当的辐射能量轰击铯，则较低能态的原子可以转化为高能态的原子。 科学家们将石英振动的减慢与轰击辐射的精确波长联系起来，形成了一个反馈回路。 在空腔中，氯化铯被加热，产生铯离子气流 ( )。 离子流包含低能态离子和高能态离子，它们在通过磁体（“A”）时被分离。 高能离子被丢弃，低能离子进入电离室[拉姆齐室]( )。
铯原子工作能级图
在电离室中，我们用适当波长 (9192 631 770 Hz) 的辐射轰击离子，使它们跃迁到更高的能量。 当这些气态离子离开电离室时，它们会穿过另一个磁铁（“B”），该磁铁将高能离子引导至检测器（Ion），这一次丢弃了较低能量的离子。 检测器检测到的离子被转换成电流，该电流连接到石英振荡器（ ）。 当石英振荡器衰变时，轰击电离室中铯离子的能量发生变化，从电离室中排出的高能离子较少，因此电流减小或停止，这告诉电流“重击”石英振荡器并校正振荡器周期，它通过施加适当的电压，通过压电效应，将石英击回其振荡状态来实现这一点。 这创造了一个在数百万年里误差不到一秒的时钟。
然而，利用磁态选择来制备原子态的方法效率相对较低且体积庞大，因此出现了用于态选择的光泵浦。 光泵浦的工作原理是利用两种不同能态的原子吸收特殊频率和偏振光的不同概率。 基态原子E1比E2具有更强的光吸收能力。 采用波长852.1nm的泵浦光照射基态原子，不断将E1态原子激发到激发态F'4。 然而，激发态不稳定，它们会自发地辐射跃迁回E1和E2。 转换到这两种状态的概率是相等的。 同时，泵浦光对E2态的激发作用很小，因此只有E1态与泵浦光相互作用。 经过多次泵浦后，原子基本上会处于E2态，从而选择原子态。
光泵铯原子钟示意图
那么为什么我们需要如此精确地控制时间呢？ 以卫星定位系统为例。 卫星利用时间同步和单向测距原理进行定位。 通过测量卫星到物体的距离来获得定位。 距离等于速度和时间的乘积。 卫星与信号接收器之间的通信依赖于电磁波。 电磁波的传播速度约为30万公里/秒。 只要测量出时间，就可以知道位置信息。 因此，确保卫星与接收机之间不存在时间误差至关重要。 误差越大，测量距离与实际距离差距越大。 卫星导航上1纳秒的时间误差在地球上反映为0.3米的误差，所以1秒的时间误差就是相差300米。导航时，这个距离足以给你以下感受：
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