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2025-11-18 09:00:58
【导语】2025年恰逢量子力学诞生百年，这一理论基石已深度融入日常生活。从手机自动校准时间到导航精准定位，从网络稳定传输到电网平稳运行，甚至金融交易的公平性保障，都离不开量子力学催生的革命性发明——原子钟。它以原子跃迁辐射的电磁波为“节拍器”，将时间测量精度推向极致，更推动着人类对宇宙奥秘的探索。本文将带您走进这个微观世界的“时间魔法”，揭开原子钟如何重塑现代文明的神秘面纱。
编者按： 2025年，距量子力学的诞生恰好过去100年。在这100年间，量子力学已成为现代科学的基石，也改变了我们的日常生活。本系列文章从身边的常见事物出发，深入浅出地介绍量子力学的原理，以纪念这一伟大成果，并为更多好奇的人打开了解它的一扇窗。
“你知道现在是几点吗？”
你汗流浃背地赶到约定的地点，迎面而来的却是对方的质问。你拿出手机，看一眼屏幕上显示的时间，对这个问题的答案倒是很自信——相比于过去用机械手表计时的时代，现在的手机联网自动校准时间，根本没有什么误差。不(bù)过(guò)，这当然也意味着，“手表慢了”再也不能成为你约会迟到的借口。
还好，对方放过了你的迟到，并接着下一个议题：“去今晚我们约定的餐厅，应该怎么走？”
你依旧自信地打开手机的地图软件，搜索餐厅的名字(zì)，软(ruǎn)件(jiàn)立(lì)刻(kè)给(gěi)你推荐出最合适(shì)的(de)路线(xiàn)，可(kě)以(yǐ)把(bǎ)你(nǐ)们(men)精(jīng)确(què)地(de)送(sòng)到(dào)餐(cān)厅(tīng)门(mén)口(kǒu)。
于(yú)是(shì)，你(nǐ)们(men)快(kuài)乐(lè)地(de)出(chū)发(fā)了(le)。虽(suī)然(rán)你(nǐ)可(kě)能(néng)没(méi)有(yǒu)注(zhù)意(yì)到(dào)，以(yǐ)上(shàng)这(zhè)两(liǎng)件(jiàn)事(shì)情(qíng)的(de)实(shí)现(xiàn)，背(bèi)后(hòu)都(dōu)离(lí)不(bù)开(kāi)一(yī)个(gè)专业“计时员”的默默付出——这就是原子钟。这一对量子力学理论精妙的利用，直接用原子来作为计时工具，彻底改变了人们对时间的认识，也改变了我们日常生活的方方面面。
时间的守护者
说起一秒钟，你肯定觉得，这是上小学之前就学过的常识。可是真正的“一秒钟”到底是什么？或许你还真答不上来：“一秒”指的是，铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间。
读起来确实有点令人头大。为什么要用这样复杂的方式定义时间呢？ 让我们先从“跃迁”说起(qǐ)。
根(gēn)据(jù)量子力学，原子内部电子的运动能量只能在某些分立的能级， 当电子从一个能级“跳跃”到另一个能级时，这种行为(wèi)就(jiù)叫(jiào)做(zuò)“跃(yuè)迁(qiān)”。当(dāng)电(diàn)子(zi)跃(yuè)迁(qiān)时(shí)，它(tā)以(yǐ)光(guāng)的(de)形(xíng)式(shì)辐(fú)射(shè)或(huò)吸(xī)收(shōu)固(gù)定(dìng)的(de)能(néng)量(liàng)。（相(xiāng)关信(xìn)息(xi)可(kě)以(yǐ)参考往期文章：《电子集体“跳水”，如何点亮世界？》）
电子跃迁示意图 来源：中国计量科学研究院
它所辐射或吸收的光的频率，与这两个能级之间相差的能量有关。频率代表着电磁波在单位时间内振动的次数，而这对于特定的原子来说，都是固定的。因此，在原子里面，藏着自然界中最精准的“节拍”。
铯原子又有其得天独厚的优势——它位于元素周期表中最左(zuǒ)边(biān)的(de)一(yī)列(liè)，最(zuì)外(wài)层(céng)只(zhǐ)有(yǒu)一(yī)个(gè)电(diàn)子(zi)，所(suǒ)以(yǐ)，它(tā)的(de)模(mó)型(xíng)计(jì)算(suàn)起(qǐ)来(lái)更(gèng)加(jiā)方(fāng)便(biàn)。而(ér)且(qiě)，铯(sè)在(zài)自(zì)然(rán)界(jiè)中(zhōng)只(zhǐ)有(yǒu)一(yī)种(zhǒng)稳(wěn)定(dìng)存(cún)在(zài)的(de)同(tóng)位(wèi)素(sù)：铯(sè)-133。由于同位素的不同会影响原子核，进而造成频率的微小偏差，而铯-133的单一性避免了这一问题。
铯-133的原子结构 来源：维基百科
于是，铯(sè)成(chéng)为(wèi)了(le)我(wǒ)们(men)现代单位制中的“时间守护者”： 在它所选定的这两个能级之间跃迁所发出的电磁波，总共振动9,192,631,770次所需的时间，就是一秒钟。
最精确的“调音器(qì)”
那么，我们是通过什么办法，数出这9,192,631,770次振动，让原子变成真正的时间测量工具的呢？
这其中的原理，有点像给乐器调音：首先我们需要一个能够发出标准音高的调音器，接着，我们不断弹奏自己的乐器，并调节它的音高，直到调音器显示它与自己发出的声音相同(tóng)。
在(zài)原(yuán)子(zi)钟里，这个精确的调音器就是一些铯原子。而我们手中的乐器，就是射向铯原子的电磁波。当这束入射的电磁波频率过高或过低时，“调音器”铯原子将不能吸收能量，只有当它的频率刚好等于铯原子所需的频率，铯原子就会吸收能量，发生跃迁，就像调音器在提示我们“音调准了”。
这样，我们就获得了一束已知精确频率的电磁波。而原子钟内部还有一个复杂的电子计数器，可以接收这个极其精确的振动信号，并数出总共振动的次数。当计数达到9,192,631,770次时，所经过的时间，就是标准的“一秒钟”。
原(yuán)子(zi)钟(zhōng)的(de)工(gōng)作(zuò)原(yuán)理(lǐ)简(jiǎn)述图 来源：科学网
这只是原子钟的简单原理，而更细节的实现上，还有许多不同的形式。其中，在国际上用于统一标定时间的，是一种叫做喷泉钟的原子钟。
世界各地的铯喷泉钟 来源：国家授时中心
喷泉钟结构复杂，体积庞大，但是运行得也更为精准。所以，世界上正在运行的其它原子钟，都要定期与喷泉钟校对，来保持准确。当今最好的喷泉钟，每一亿年的误差不到一秒——如果我们从恐龙时代就开始运行这台时钟，直到现在，它也只积累了一秒的误差！
无处不在的“时间管家”
我们需要越来越精确的时间测量，并非仅仅出于科学上的追求。在现代生活中，越来越多的场合对时间测量精度都提出了更高的要求。
比如在文章开头提到的卫星导航，这应该是关于原子钟最著名的一个应用。
导航卫星工作时，不断向地球广播信号。这些信号中包含了卫星的精确位置和发出信号时的精确时间。地球上的接收器会接收到来自多颗卫星的信号，并测量这些信号到达接收器所需的时间，再换算成与这些卫星之间的距离。只要同时知道4颗卫星与你之间的位置关系，就可以计算出你在地球上所在的位置。
卫星定位原理 来源：motogokil
由于你与卫星之间的通信使用的是以光速传播的电磁波，而光速是非常快的（大约是30万公里/秒），如果时间测量的误差只有十亿分之一秒，也会带来将近30厘米的误差。因此，要达到准确的定位效果，卫星上必须搭载有原子钟用于计时。
除此之外，我们所使用的互联网、移动网络中的数据传输，也要求网络中的所有设备进行精确的时间同步，来确保数据流的顺序性和传输的可靠性。否则，用户的网络连接将变得不稳定，出现卡顿、传输错误等各种问题。
电力系统的稳定运行也离不开高精度时间的支撑。电网中所有的关键设备都必须以极其精确同步的频率工作，即使是微小的时间或频率偏差，都可能对整个电网的稳定性造成严重影响：轻则导致局部停电，重则可能引发连锁反应，造成大规模的电力中断。
在金融交易领域，高精度时间也是不可或缺。尤其是在高频交易这种以毫秒甚至微秒级别完成交易指令的场景中，所有交易指令的时间戳都必须达到极致的精确和统一，这不仅是确保交易公平性的基石，也是实现可审计性和有效防止市场操纵的关键。
高度依靠原子钟计时的应用领域 来源：北京大学
不止是铯原子
刚才，我们已经介绍了铯原子钟的工作的原理，而除了这个“基本款”原子钟，科学家们还设计了各式各样其它形式的原子钟，用于不同的用途。
比如，为了使用的方便，有时我们并不需要时钟精确到它的极限，但是希望它能够非常小。为此，科学家可以将原子钟缩得很小：其中最好的设计是使用铷原子，它在元素周期表上的位置，就在铯的正上方，因此与铯具有相似的性质。
用铷制作的钟，虽然准确性上稍逊一筹，但体积更小，成本更低，所以具有很大的商业前景。2019年，NIST研制出了一款芯片级铷原子钟，它的核心只有一粒咖啡豆那么大。
芯片级原子钟 来源：维基百科
为了追求更高的计时精度，科学家们还在研究其它的时钟：比如用铝、锶等原子制造的光学钟，它们吸收的电磁波，具有比铯原子钟更高的频率，因此能够带来更小的误差。未来，人们还可能用原子核的能级跃迁来计时，一旦这个设想实现，核钟将成为人类有史以来最稳定的时钟。
更高精度的时间测量工具，将成为实验探索暗物质、引力等宇宙更基本秘密的一大基础。未来的原子钟，不仅能够继续改变我们的(de)生(shēng)活(huó)，还(hái)能(néng)够(gòu)继(jì)续(xù)推(tuī)动(dòng)物(wù)理(lǐ)学(xué)的(de)发(fā)展(zhǎn)。原(yuán)来(lái)，看(kàn)似(shì)简(jiǎn)单(dān)的(de)“一(yī)秒(miǎo)钟(zhōng)”，其(qí)实(shí)可(kě)真(zhēn)的(de)不(bù)简(jiǎn)单(dān)呢(ne)！
1、https://www.nist.gov/atomic-clocks
2、https://www.nist.gov/si-redefinition/second-introduction
3、https://www.nim.ac.cn/node/262
4、翟造成、张为群、蔡勇、杨佩红. 原子钟基本原理与时频测量技术[M]. 上海: 上海科学技术文献出版社, 2009.
5、https://www.cas.cn/cm/202501/t20250102_5044028.shtml
6、贺凌翔. 原子钟在精密测量领域的新应用[J]. 物理, 2023, 52(7): 476-481. DOI: 10.7693/wl20230705
7、https://www.nist.gov/news-events/news/2019/05/nist-team-demonstrates-heart-next-generation-chip-scale-atomic-clock
作者：张一凡
策划：刘颖 张超 李培元 杨柳
审核：梁文杰 中科院物理研究所研究员
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