原子钟的魅力，本文主要内容关键词为：原子钟论文,魅力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1995年6月6日凌晨，一位驾驶着F—16 战斗机的美国空军飞行员在穿越波斯尼亚—黑塞哥维那的塞尔维亚控制区领空时，他的无线电里传来美国空军上慰奥格雷迪（S.F.O’Grady）的呼叫。奥格雷迪驾驶的F—16战斗机4天前在该地区被塞尔维亚部队地对空导弹击中，奥格雷迪安全弹射出机舱后，降落在敌后的草丛之中。他最终确定了自己所处的位置，并冒险用无线电与飞行员联络。此后4小时之内， 搜寻和营救组传奇般地救出了奥格雷迪。
这项营救任务得以准确完成，有着一个重要的原因。当奥格雷迪降落以后，他的救生衣内有一个便携式无线电接受机，该接受机与24颗卫星网，即全球定位系统（GPS）相连， 奥格雷迪因此能够在敌后确定自己所处位置的经度、纬度及高度，误差仅在几十米内，然后他能够向空中的飞行员及派来营救他的人员发出信号。而GPS中的某项技术， 出自60年前有关原子及核的基本性质的基础研究。 时间和位置的精确定位GPS几乎能够立刻并极其准确地回答“我在哪里？”这个简单问题。这项新技术利用了能使时间精确至一亿分之一秒的原子钟。
为保证GPS正常工作，接受机必须精确知道卫星在哪里， 卫星必须能够保持可靠而极为精确的时间。精确性来自四颗卫星各自携带的原子钟——迄今最为精确的计时仪器。可靠性的约17700 公里高的卫星轨道来保证，这一轨道远离大气层，并使卫星保持在能准确预测的轨道上运行。
GPS本身是作为一种军事工具而产生的，但使GPS成为可能的原子钟却源于二次大战前不久的基础研究。当时，科学家发现，业已发展的用于研究原子基本结构的高精度技术可以用来制造原子钟。
直到本世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟，是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。即便如此精确，仍不足以满足科学家研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟每天快三千万分之一秒。精确测定时间的唯一办法是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。
本世纪30年代，哥伦比亚大学实验室的拉比（I.I Rabi）和他的学生在研究原子及核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。拉比在研究过程中发明了磁共振技术，并因此而获得1994年度的诺贝尔奖。
在拉比设想的钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子钟即利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。
拉比本人未曾进一步从事这类钟的研制，但其他研究人员继续改进他的想法，并完善这一技术。如1949年，拉比的学生拉姆齐（N.Ramsey）提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得诺贝尔奖。
战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森（L.Essen）和帕里（J.V.L.Parry）建造完成的，但这个钟需要一个房间的设备。拉比的另一位前任助理、T的扎卡赖亚斯（J.Zacharias）使得原子钟成为一个实际的仪器。扎卡赖亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟，这种原子钟非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用。研制过程中，他推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室转移到另一个实验室。1954年，扎卡赖亚斯与麻省的莫尔登（Malden）公司一起建造以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。
到1967年，关于原子钟的研究如此富有成效，人们依据铯原子的振动对秒作了重新定义。如今的原子钟极其精确，其误差为10万年内不大于1秒。历经数年，三种原子钟——铯原子钟、 氢微波激射器和铷原子钟，都已用于太空，有的用于卫星，有的用于地面控制。GPS 卫星最终采用的是与60年前拉比构想相似的铯原子钟。