根據(jù)原子物理學的基本原理，當原子從一個能量態(tài)躍遷至低的能量態(tài)時，它便會釋放電磁波。同一種原子的電磁波特征頻率是一定的，可用作一種節(jié)拍器來保持高度精確的時間。

　　原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特征頻率同步作為產(chǎn)生時間脈沖的節(jié)拍器。

　　2020年底，《自然》雜志刊載了一篇來自美國麻省理工學院研究人員的成果報道，這些研究人員利用量子糾纏現(xiàn)象新設計出一種原子鐘，如果運行約140億年（大約是當前宇宙的年齡），該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒之內(nèi)。而在同樣的時間框架內(nèi)，此前最先進的原子鐘偏差在半秒左右。

　　自從人類意識到時間的流逝，就開始利用周期性現(xiàn)象進行追蹤。在古代，人們是觀察太陽、月亮在天空中的運動來判斷時間的運行，隨著科學技術發(fā)展，人類測量時間的手段也越來越先進。15世紀，依靠鐘擺和發(fā)條組成擒縱機構誕生，成為現(xiàn)代機械鐘表的核心，再后來又出現(xiàn)利用石英周期振動來計時的鐘表。到后來，原子鐘的出現(xiàn)成為人類計時史上的一次重大革命，它使得計時標準從天文學的宏觀領域轉(zhuǎn)向了物理學的微觀領域，歷史從此由“天文秒”時代進入“原子秒”時代，開啟了人類時間測量的嶄新階段。人類對時間的測量和追蹤正在越來越接近宇宙的本源。

　　通過跟蹤原子振蕩來測量時間

　　生活中常以分秒來計時，在當今太空探測、通信導航、天文觀測、工業(yè)自動化等領域，越來越需要更精密的時間測量。時間常常被準確到萬分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了達到要求，許多精密的計時器誕生，原子鐘就是其中之一。

　　原子鐘是世界上已知最精確的計時儀器，采用了最準確的時間測量和頻率標準，同時這一標準也被認為是國際時間和頻率轉(zhuǎn)換的基準，廣泛應用于控制電視廣播和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號傳遞。原子鐘的研發(fā)涉及到量子物理學、電學、結(jié)構力學等眾多學科，目前國際上僅少數(shù)國家具有獨立研制能力。

　　根據(jù)原子物理學的基本原理，原子是按照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。當原子從一個“能量態(tài)”躍遷至更低的“能量態(tài)”時，它便會釋放電磁波。這種不連續(xù)的電磁波的頻率，就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的——例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。原子鐘就是使用激光來測量原子的共振頻率，從而實現(xiàn)精準計時。

　　如果要追求近乎完美的時間測量，原子鐘必須去跟蹤單個原子的振蕩。但是按照量子力學的規(guī)律：當被測量時，原子振蕩的行為就像拋一枚硬幣，只有在多次翻轉(zhuǎn)中取平均值才能給出相對穩(wěn)定的數(shù)值，這被物理學家稱為標準量子極限。因此，今天的原子鐘被設計用來測量由成千上萬個相同類型的原子組成的氣體，以便估算其平均振蕩頻率。

　　盡管原子鐘的類型有多種，但其背后的原理大致相同。目前最常見的原子鐘使用的原子包括氫、銫、銣等堿金屬原子。但元素周期表中有100多種元素，為何科學家偏偏對這幾種原子情有獨鐘？

　　這是因為堿金屬原子內(nèi)部只有一個價電子，理論模型相對多價電子體系較為簡單?？茖W家在長期實驗中發(fā)現(xiàn)，堿金屬原子中銫原子鐘又最為穩(wěn)定，誤差可低至每2000萬年1秒的水平。

　　據(jù)了解，銫原子鐘使用銫原子束，通過磁場將能級不同的銫原子分離該時鐘將高穩(wěn)定性銫振蕩器與GPS高精度授時、測頻及時間同步技術有機結(jié)合在一起，使銫振蕩器輸出頻率馴服同步于GPS衛(wèi)星銫原子鐘信號上，提高了頻率信號的長期穩(wěn)定性和準確度，能夠提供銫鐘量級的高精度時間頻率標準，是通信廣電等部門替代銫鐘的高性價比產(chǎn)品。

　　氫原子鐘將氫原子保持在四周由特殊材料制成的容器中，從而使氫原子保持所需的能級，而不至于太快失去其較高的能量狀態(tài)，但是環(huán)境溫度變化及微波諧振腔老化會引起其輸出頻率的變化，從而導致氫原子鐘長期性能變差，為了減小這些影響，可借助自動調(diào)諧器來確保諧振腔的頻率始終工作在所需的頻率上，并采用新的溫度控制系統(tǒng)來改善氫原子鐘的長期性能。

　　銣原子鐘是所有原子鐘中最簡單也最緊湊的一種，它使用裝有銣氣的玻璃腔，銣氣在周圍的微波頻率恰到好處時，就會按照銣原子的振蕩頻率改變其光吸收率。銣原子鐘溯源同步到GPS衛(wèi)星銫原子鐘上，輸出頻率幾乎沒有漂移，性能與銫原子鐘相近，而且不存在銫原子鐘那樣銫束管壽命短需要高成本更換的問題。