熱搜冷原子,讓你漲知識

  時間,是表征物質運動的最基本物理量,它以完美的線性和連續性展示著客觀世界的變化。鐘,是人類為了精準度量時間而發明的儀器,從日晷、沙漏、水鐘、機械鐘、石英鐘、再到原子鐘,鐘的發展,體現著人類在探索自然奧妙過程中所展現出來的超高智慧。

  無論鐘以何種形態呈現,它都是以物體在特定條件下的振蕩頻率來刻畫時間的長短。例如單擺,如果擺動一次是一秒,擺動100次就是100秒。

  那么,迄今為止人們都用過什么樣的鐘表?它們的準確度又是怎樣的?

  從石英鐘到原子鐘:計時方式的精準化

  人們發現當石英晶體受到電池的電力影響時,就會產生規律的振動,每振動2.3萬次,就會是1秒,這就有了石英鐘。目前,最好的石英鐘,每天的計時能精準到十萬分之一秒,也就是經過差不多270年才差1秒。

  由于人們總想把時間計得更準,如何將振蕩頻率記得更準,以及如何將1秒劃分得更精細,成為了時鐘技術的發展目標。于是具有更高精度的原子鐘開始出現。

  量子物理發現,原子內部存在著一些分立的能態,當原子中電子從一個能態“掉落”到低能態時,它便會釋放電磁波。這種電磁波的特征頻率對應了分立能態之間的能量差,理想情況下是固定不變的,又稱為原子的固有共振頻率。因此,科學家們利用原子中電子能級躍遷時的共振頻率作為精確的時間標準,這就是所謂的原子鐘。原子鐘說到底就是利用原子中電子軌道做的原子單擺。

  在1963年召開的第13屆國際計量大會上,科學家們給1秒鐘時間的長短下了定義,即銫原子Cs-133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩9192631770周所持續的時間為1秒。這個標準一直沿用至今。目前銫原子鐘的計時精度已達到3千萬年不差1秒,是國際計量局用以維持標準時間的主要基準鐘。

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