关于原子钟的10个奇怪事实

由:Patrick J. Kiger.

在华盛顿特区的美国海军天文台,两名游客在看原子钟的时间刻度
迈克尔·史密斯/盖蒂图片社

“原子钟”一词可能会召唤令人遗憾,1950年代 - 恐怖电影心理图像:a末日这个装置,由一个穿着实验室工作服的疯子建造在一座山上的堡垒里,在它毁灭我们整个星球之前,它正在一点点流逝。实际上,原子钟是在关于原子及其各部分乐动体育网站5.0工作原理的知识大爆炸中涌现出来的比较良性的发明之一——哎呀,也许不是最好的词。这种认识是在第二次世界大战开发原子弹的曼哈顿计划之后产生的。

不像炸弹不过,原子钟不会乐动体育网站5.0分裂原子,也不会爆炸。相反,它们使用的是原子核和周围电子之间的振荡,也就是电荷流动的变化,就像老式老爷钟使用钟摆一样。因为一个原子的振荡涉及到非常小的时间单位——例如,一个铯原子的频率是9192,631,770周/秒——而且非常稳定,一个设置为这种振荡的时钟可以比老式老式时钟更准确地计时[来源:乐动体育网站5.0大英百科全书]。

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这就是为什么自20世纪40年代末原子钟发明以来,它已经成为依赖科技的现代世界的重要工具。乐动-软件乐动体育网站5.0原子钟使从互联网到全球定位卫星系统等复杂系统的时间同步成为可能。

但原子钟已经成为我们生活中常见而有用的一部分,但它仍然有点神秘。乐动体育网站5.0以下是关于这些有用的设备的一些奇怪和令人惊讶的事实。

10:原子钟已经改变了如何计算常见时间单位

当人类开始追踪数千年前的时间来时,他们通过观察天空中的太阳的明显运动来完成它 - 实际上是由于地球的旋转——并以该旅程为时间单位。例如,传统上,一秒被定义为一个太阳日平均长度的864乐动体育网站5.000分之一。

但是出现了原子钟这比地球本身的运动要可靠得多,因此有必要改变这一标准。1967年,第二被重新定义为铯133的一个原子振荡9 192,631,770个周期的时间[来源:sciencemuseum.org.uk.]。

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9:原子钟使用每个铯原子中的一个电子来计时

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电子轨道绕原子的中心 - 就像天主角绕太阳。
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正如我们之前解释的那样,电子轨道的中心原子,这被称为核心。想象一下我们太阳系的极其微小的版本,带着行星旋转在太阳周围,你会得到一般的想法。乐动体育网站5.0物理学家已经发现,电子在运动中非常规则 - 它们倾向于保持在狭窄范围内的轨道范围内,距离核的距离由它们在特定时刻发出的辐射量决定。最低轨道与电子移动中的最低轨道之间的距离是频率。

在铯的例子中,它被用于原子钟,科学家专注于元素的55个电子的一个 - 最外面的一个,它占据了一个明显高于其余的轨道。最近电子最近轨道与核的能量差异及其最远轨道对应于9,192,631,770次循环的射频。这就是科学家实际用于计算时间并将其分解成令人难以置信的短的单位的部分,这是少于十亿分之一的单位[来源:sciencemuseum.org.uk.]。

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8:原子钟现在可靠得令人难以置信,但第一代原子钟并不可靠

1948年,美国国家标准局建立了世界上第一个原子钟。而不是铯,第一时钟使用氨原子,其被加热并从铜管中脱离。虽然第一个时钟证明了原子钟的概念工作,但它从未实际用于保持时间。第一个原子钟每四个月缩小一秒钟。这使得它不如现有技术可靠乐动-软件石英钟,测量了当一块石英受到电荷作用时它的振荡。

最终,科学家们转向使用铯越来越短的铯,并以各种方式改进了设计。乐动体育网站5.0一个1959年的模型设法留出了每台2000年的误差,到1964年,钟表已经确定了6000年来丢失或增加一秒钟。乐动体育网站5.0今天,最先进的原子钟将在600万多年的使用后立即关闭[资料来源:sciencemuseum.org.uk.]。

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7:铯,原子钟中使用的东西是一种古怪的元素

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德国科学家罗伯特·威廉·本生,大约1870年
E. D. Lange / Hulton Archive /盖蒂图片社

首先,它有时被拼写为“铯”。铯是在1860年被罗伯特·本生发现的,他作为本生灯的发明者被高中化学学生所熟知。它是如此奇怪而迷人的东西,以至于在20世纪90年代早期,它激发了一个互联网新闻组的创建,alt .铯,致力于“讨论,赞美,尊敬,崇拜,发布歌曲,诗歌,故事和关于最崇高的元素的寓言”[来源:乐动体育网站5.0纳尔逊]。通常被称为“其他金属”,这是仅三种不是灰色或闪亮的银色的三种金属(另外两个是黄金和铜)的三种金属之一[来源:科学美国人]。

本质上发现的铯类型133,很难定位。产生最大数量的自然来源是一种罕见的矿物质,称为甘氨酸,在美国,在缅因州和南达科他州的矿石中发现。虽然它是一种金属,铯在真正低温下融化 - 82华氏度(22.7摄氏度) - 并在与冷水接触时爆炸[来源:阿贡国家实验室]。在空气中,它有时会自燃,燃烧着明亮的天蓝色火焰[来源:纳尔逊]。

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6:原子钟实际上使用了一块石英,而不是铯原子,告诉时间

你可能对此感到有点困惑,因为我们已经花了这么多时间告诉你,由于使用了振荡铯。但实际保持时间的时钟的一部分是标准石英晶体振荡器,其将一块晶体对电流进行,以使其振动。差异是最普通的石英钟这意味着,随着时间的推移,会发生一些微小的变化,使时钟变得快一点或慢一点。然而,在原子钟中,铯的振荡被用来检查石英器件的频率,这是时钟如此惊人的准确性的原因[来源:sciencemuseum.org.uk.]。

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2008年,地球上的乐动体育网站5.0每个原子钟同时增加了一秒

世界各地的原子钟都会定期重置,以确保它们与地球的时间保持一致。“width=
世界各地的原子钟都会定期重置,以确保它们与地球的时间保持一致。
乔治帝国

2008年12月31日晚7点前,科学家们在原子钟为了使国际原子钟标准UTC时间(Coordinated Universal Time, UTC)与地球自转同步,世界各地的原子钟都领先地球整整一秒。错的不是时钟,而是地球。由于各种各样的“刹车”:太空尘埃、磁暴、太阳风、大气层阻力,以及最重要的引力,地球的自转速度每天会减慢约2毫秒乐动体育网站5.0月亮在地球上的重力,这不仅会导致海潮,而且制造整个行星凸起。

这一切的影响就是延长了太阳的白昼,与我们的超级精确的原子钟相比,太阳的白昼略微变长。乐动体育网站5.0这种差异可能需要数百年的时间才能变得明显,所以太阳在天空中的位置可能与室内时钟的时间不同(你可能已经根据正确的时间设置了电话号码,这是基于UTC)。为了防止这种情况发生,在1972年,一项国际协议规定,原子钟将定期同步调整[来源:乐动体育网站5.0道林]。

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4:原子钟被用来证明你生活在海平面上方的越高,你的年龄越快

这个想法,人们生活在山上的人比生活在海滩上的人似乎有点荒谬,但实际上是真相。这个概念是一个世纪前的第一次先进的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦,其特殊相对论的理论假设时间不是恒定的,而是相对的。(这就是为什么他们称之为相对论。)2010年,詹姆斯·钦文和来自国家标准和技术研究所(NIST)的同事进行了一项试验,以测试爱因斯坦的推理。乐动-软件他们定位了两份原子钟距离海平面约30厘米,并发现两个较高的钟跑得稍快。乐动体育网站5.0不过,按实际价格计算,差别并不明显;据周永明(音译)说,这位山区居民在79岁的一生中会比现在快900亿分之一秒。乐动体育网站5.0康纳]。

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科学家利用激光束使原子钟更精确

一般奥马尔布拉德利(1893年 -  1981年),他在D日登陆期间指挥了12号美国军队,展示了由其公司生产的岩石水晶钟以及原子钟。“width=
一般奥马尔布拉德利(1893年 - 1981年),他在D日登陆期间指挥了12号美国军队,展示了由其公司生产的岩石水晶钟以及原子钟。

如果你看过电影《金手指》中反派威胁要切片的场景詹姆斯•邦德用激光把原子钟一分为二,你可能会想,为什么激光没有把原子钟烧个洞,而是让它运行得更精确。但它实际上可以实现后者。忍耐一下,因为这很复杂。

原子钟本质上是用微波轰击铯原子,激发一些活动,然后科学家可以测量这些活动。传统原子钟的局限性在于,它们只能用微波捕捉一小部分铯原子。将原子置于激光梁 - 一个名为激光光学泵的过程 - 您可以减慢原子的速度,这使微波炉更有机会击中它们。反过来,这是一种更精确的信号,使科学家能够使用铯振荡来更准确地标记时间。奇怪的是,该过程还冷却铯原子,在凯尔文规模上右下到高于绝对零的一百万度[来源:Buell和Jaduszliwer.]。

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2:原子钟使您的电话交谈可理解

如今,电信公司以零零碎碎的方式传输电话,这使得他们能够同时通过线路进行大量的对话。当你给另一个城市的人打电话时,你的话会中断,在两端的电脑之间传递,这些电脑在两段对话之间来回切换,每秒钟成千上万次。然而,要做到这一点,两台电脑必须保持完美的同步,就像一对极其敏捷的乒乓球运动员,可以以极快的速度击中对方相当于一卡车的小球,而且一个都打不到。如果他们真的错过了,电话就会乱成一团,听起来像胡言乱语。这就是为什么现在的电信公司都有自己的原子钟来防止这种情况的发生,它们让电脑之间几乎一直保持同步[来源:sciencemuseum.org.uk.]。

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1:下一代原子钟可能能够与宇宙保持完美的时间

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很快,原乐动体育网站5.0子钟可能更准确。
格雷格•史密斯/ Photolibrary /盖蒂图片社

科学家们一直在想办法原子钟越来越准确,但乔治亚州理工学院和内华达大学的研究人员最近提出了一个真正展示的吹牛进步。乐动-软件在广泛过度过度的条件下,这是以下交易:他们希望使用激光来重新排列原子的碎片,使得它们可以使用轨道中的中子而不是电子,而不是柱形。乐动体育网站5.0结果可能是一个时钟,它比现在的任何东西都是100倍,因此精确的是它只会在140亿年内丢失或少于二十秒。考虑一下:宇宙本身大约是140亿岁,所以如果这个时钟以某种方式可以在一个时间机器中送回大爆炸的那一刻开始一切,它仍然会沿着今天滴答,在几乎完美的一步曾经发生过的每一刻[来源:科学日报]。

更多信息

作者的注意

我一直对时间保存和时钟很着迷,而作为20世纪60年代的小学生,我首先了解了可以测量令人难以置信的精度的微小时间单乐动体育网站5.0位的原子钟的奇迹。但直到我开始对这件作品进行研究,我从未想过,我可以在保持时间比地球旋转保持时间更精确的时钟。但由于原子钟已经用于证明爱因斯坦的理论,即时间相对于一个人的位置和速度而不是持续的,我不得不怀疑是否真的有这样的事情是正确的时间。我觉得我将在下次截止日期前用它作为借口!

相关文章

  • “原子钟。”sciencemuseum.org.uk。(2012年4月17日)http://www.sciencemuseum.org.uk/onlinestuff/staces/atomic_clocks.aspx
  • 沃尔特·f·布埃尔和贝纳多·贾杜兹利维尔。“原子钟与激光冷却相遇。”交联。1999年冬天。(2012年4月17日)http://www.aero.org/publications/crosslink/winter2000/02.html
  • Castelvecchi,大卫。“铯。”科学的美国人。2012年3月13日。(2012年4月17日)http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=chemisty-the-e1the-revealed-intactive-periodic -Table
  • 康纳,史蒂夫。“下层生活减缓了时钟的滴答声。”新西兰先驱报。2010年9月25日。(2012年4月17日)http://www.nzherald.co.nz/world/news/article.cfm?c_id=2&objectid=10676027
  • “铯。”阿贡国家实验室。2005年8月。(2012年4月17日)http://www.evs.anl.gov/pub/doc/cesium.pdf
  • 道林,丹尼尔。《为什么等一等:为什么2008年是漫长的一年》时间。2008年12月31日。(2012年4月17日)http://www.time.com/time/health/article/0,8599,1869250,00.html
  • 纳尔逊,兰德尔。“关于铯和alt.ceium的常见问题。罗切斯特。(2012年4月17日)http://www.cs.rochester.edu/u/nelson/cesium/cesium_faq.html
  • “振荡。”Merriam-webster字典。(2012年4月17日)http://www.merriam-webster.com/dictionary/00pillation
  • “拟议的核时钟可能会与宇宙保持时间。”科学日报。2012年3月8日。(2012年4月17日)http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120308101331.htm
  • “时间。”百科全书Britannica。(2012年4月17日)http://www.britannica.com/ebchecked/topic/596034/time/61038/TOMic-clocks