包含自由漂浮原子的真空腔是當(dāng)今最精密的時(shí)間測(cè)量?jī)x器的核心。激光脈沖功能作為最新一代原子鐘的時(shí)間測(cè)量發(fā)生器。它們的精準(zhǔn)度極高。

什么是時(shí)間？物理學(xué)家和哲學(xué)家都無法回答這個(gè)問題。但這并不妨礙人們將時(shí)間劃分為一個(gè)個(gè)小片段，并盡可能精確地測(cè)量它。古老的日晷或中世紀(jì)的機(jī)械鐘等計(jì)時(shí)工具，是我們?cè)褂玫臅r(shí)間測(cè)量方法的重要發(fā)展階段。17 世紀(jì)，數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家克里斯蒂安 惠更斯取得了一個(gè)重要的技術(shù)成就。他發(fā)明的擺鐘首次將時(shí)間精確劃分為時(shí)、分和秒。自此以后，越來越精確的計(jì)時(shí)工具被人們研制出來。今天，銫原子鐘作為官方世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的參考基準(zhǔn)，每三千萬年的誤差僅為 1 秒。

銫原子鐘記錄世界時(shí)間

這些現(xiàn)代鐘表沒有鐘擺或指針， 而是使用銫原子"記錄"時(shí)間的流逝。這些銫原子被加熱至汽化，然后置于高真空管中。低壓確保原子不會(huì)相互碰撞，并以高能量通過真空腔。然后，這些原子會(huì)受到微波輻射。合適的頻率（物理學(xué)家稱之為共振頻率）會(huì)改變一些原子的能量狀態(tài)。它們會(huì)被"激發(fā)"，并由探測(cè)器為它們計(jì)數(shù)。

現(xiàn)在調(diào)整微波頻率，使最大數(shù)目的銫原子能量狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。此數(shù)量在 9,192,631,770 赫茲下（即每秒振蕩超過 90 億次）趨于穩(wěn)定。相反，當(dāng)?shù)竭_(dá)此數(shù)字時(shí)，即過去一秒。這就是 SI 國(guó)際單位制中定義一秒的長(zhǎng)度的基礎(chǔ)。

精準(zhǔn)度甚至高于激光

除了銫輻射鐘之外，銫噴泉鐘也被用來作為今天世界時(shí)間的參照時(shí)鐘。在這類時(shí)鐘中，銫原子就像噴泉一樣被引入真空腔中，然后再被微波輻射。由于原子的共振頻率可以更精確地使用此技巧來確定，所以噴泉鐘每四千萬年的誤差僅為 1 秒。

而使用鍶或鐿原子的光學(xué)原子鐘就更精準(zhǔn)了。在這類時(shí)鐘中，原子不是用微波而是用激光在超高真空中被激發(fā)。當(dāng)一個(gè)原子改變其能量狀態(tài)時(shí)，光的頻率可以作為一秒的長(zhǎng)度參照。頻率越高，電子躍遷頻率越快，時(shí)間就可以被劃分為更小的間隔。光學(xué)原子鐘"滴答"的速度比銫原子鐘快得多，因此測(cè)得的時(shí)間間隔也更精確。它們可能會(huì)成為世界時(shí)間的新計(jì)時(shí)工具，因此有必要重新定義廣為人知的時(shí)間單位：一秒。不管此過程如何，所有類型的原子鐘都需要為參考原子準(zhǔn)備一個(gè)真空腔。