【導語】2025年恰逢量子力學誕生百年，這一理論基石已深度融入日常生活。從手機自動校準時間到導航精準定位，從網絡穩定傳輸到電網平穩運行，甚至金融交易的公平性保障，都離不開量子力學催生的革命性發明——原子鍾。它以原子躍遷輻射的電磁波為“節拍器”，將時間測量精度推向極致，更推動著人類對宇宙奧秘的探索。本文將帶您走進這個微觀世界的“時間魔法”，揭開原子鍾如何重塑現代文明的神秘麵紗。

編者按： 2025年，距量子力學的誕生恰好過去100年。在這100年間，量子力學已成為現代科學的基石，也改變了糖心免费视频的日常生活。本係列文章從身邊的常見事物出發，深入淺出地介紹量子力學的原理，以紀念這一偉大成果，並為更多好奇的人打開了解它的一扇窗。

“你知道現在是幾點嗎？”

你汗流浹背地趕到約定的地點，迎麵而來的卻是對方的質問。你拿出手機，看一眼屏幕上顯示的時間，對這個問題的答案倒是很自信——相比於過去用機械手表計時的時代，現在的手機聯網自動校準時間，根本沒有什麽誤差。不過，這當然也意味著，“手表慢了”再也不能成為你約會遲到的借口。

還好，對方放過了你的遲到，並接著下一個議題：“去今晚糖心免费视频約定的餐廳，應該怎麽走？”

你依舊自信地打開手機的地圖軟件，搜索餐廳的名字，軟件立刻給你推薦出最合適的路線，可以把你們精確地送到餐廳門口。

於是，你們快樂地出發了。雖然你可能沒有注意到，以上這兩件事情的實現，背後都離不開一個專業“計時員”的默默付出——這就是原子鍾。這一對量子力學理論精妙的利用，直接用原子來作為計時工具，徹底改變了人們對時間的認識，也改變了糖心免费视频日常生活的方方麵麵。

時間的守護者

說起一秒鍾，你肯定覺得，這是上小學之前就學過的常識。可是真正的“一秒鍾”到底是什麽？或許你還真答不上來：“一秒”指的是，銫-133原子基態的兩個超精細能階之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的9,192,631,770倍的時間。

讀起來確實有點令人頭大。為什麽要用這樣複雜的方式定義時間呢？ 讓糖心免费视频先從“躍遷”說起。

根據量子力學，原子內部電子的運動能量隻能在某些分立的能級， 當電子從一個能級“跳躍”到另一個能級時，這種行為就叫做“躍遷”。當電子躍遷時，它以光的形式輻射或吸收固定的能量。（相關信息可以參考往期文章：《電子集體“跳水”，如何點亮世界？》） 

電子躍遷示意圖 來源：中國計量科學研究院

它所輻射或吸收的光的頻率，與這兩個能級之間相差的能量有關。頻率代表著電磁波在單位時間內振動的次數，而這對於特定的原子來說，都是固定的。因此，在原子裏麵，藏著自然界中最精準的“節拍”。

銫原子又有其得天獨厚的優勢——它位於元素周期表中最左邊的一列，最外層(céng)隻(zhǐ)有(yǒu)一(yī)個(gè)電(diàn)子(zi)，所(suǒ)以(yǐ)，它(tā)的(de)模(mó)型(xíng)計(jì)算(suàn)起(qǐ)來(lái)更(gèng)加(jiā)方(fāng)便(biàn)。而(ér)且(qiě)，銫(sè)在(zài)自(zì)然(rán)界(jiè)中(zhōng)隻(zhǐ)有(yǒu)一(yī)種(zhǒng)穩(wěn)定(dìng)存(cún)在(zài)的(de)同(tóng)位(wèi)素(sù)：銫(sè)-133。由(yóu)於(yú)同(tóng)位(wèi)素(sù)的(de)不(bù)同(tóng)會(huì)影(yǐng)響(xiǎng)原(yuán)子(zi)核(hé)，進(jìn)而(ér)造成頻率的微小偏差，而銫-133的單一性避免了這一問題。

銫-133的原子結構 來源：維基百科

於是，銫成為了糖心免费视频現代單位製中的“時間守護者”： 在它所選定的這兩個能級之間躍遷所發出的電磁波，總共振動9,192,631,770次所需的時間，就是一秒鍾。

最精確的“調音器”

那麽，糖心免费视频是通過什麽辦法，數出這9,192,631,770次振動，讓原子變成真正的時間測量工具的呢？

這其中的原理，有點像給樂器調音：首先糖心免费视频需要一個能夠發出標準音高的調音器，接著，糖心免费视频不斷彈奏自己的樂器，並調節它的音高，直到調音器顯示它與自己發出的聲音相同。

在原子鍾裏，這個精確的調音器就是一些銫原子。而糖心免费视频手中的樂器，就是射向銫原子的電磁波。當這束入射的電磁波頻率過高或過低時，“調音器”銫原子將不能吸收能量，隻有當它的頻率剛好等於銫原子所需的頻率，銫原子就會吸收能量，發生躍遷，就像調音器在提示糖心免费视频“音調準了”。

這樣，糖心免费视频就獲得了一束已知精確頻率的電磁波。而原子鍾內部還有一個複雜的電子計數器，可以接收這個極其精確的振動信號，並數出總共振動的次數。當計數達到9,192,631,770次時，所經過的時間，就是標準的“一秒鍾”。

原子鍾的工作原理簡述圖 來源：科學網

這隻是原子鍾的簡單原理，而更細節的實現上(shàng)，還(hái)有(yǒu)許(xǔ)多(duō)不(bù)同的形式。其中，在國際上用於統一標定時間的，是一種叫做噴泉鍾的原子鍾。

世界各地的銫噴泉鍾 來源：國家授時中心

噴泉鍾結構複雜，體積龐大，但是運行得也更為精準。所以，世界上正在運行的其它原子鍾，都要定期與噴泉鍾校對，來保持準確。當今最好的噴泉鍾，每一億年的誤差不到一秒——如果糖心免费视频從恐龍時代就開始運行這台時鍾，直到現在，它也隻積累了一秒的誤差！

無處不在的“時間管家”

糖心免费视频需要越來越精確的時間測量，並非僅僅出於科學上的追求。在現代生活中，越來越多的場合對時間測量精度都提出了更高的要求。

比如在文章開頭提到的衛星導航，這應該是關於原子鍾最著名的一個應用。

導航衛星工(gōng)作(zuò)時(shí)，不(bù)斷(duàn)向(xiàng)地(de)球(qiú)廣(guǎng)播(bō)信(xìn)號(hào)。這(zhè)些(xiē)信(xìn)號(hào)中(zhōng)包(bāo)含(hán)了(le)衛(wèi)星(xīng)的(de)精(jīng)確(què)位(wèi)置(zhì)和(hé)發(fā)出信號時的精確時間。地球上的接收器會接收到來自多顆衛星的信號，並測量這些信號到達接收器所需的時間，再換算成與這些衛星之間的距離。隻要同時知道4顆衛星與你之(zhī)間(jiān)的(de)位(wèi)置(zhì)關係(xì)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)計(jì)算(suàn)出(chū)你(nǐ)在(zài)地(de)球(qiú)上(shàng)所(suǒ)在(zài)的(de)位(wèi)置(zhì)。

衛(wèi)星定位原理(lǐ) 來(lái)源(yuán)：motogokil

由(yóu)於(yú)你(nǐ)與(yǔ)衛(wèi)星(xīng)之(zhī)間(jiān)的(de)通(tōng)信(xìn)使(shǐ)用(yòng)的(de)是(shì)以(yǐ)光(guāng)速(sù)傳(chuán)播(bō)的(de)電(diàn)磁(cí)波(bō)，而(ér)光(guāng)速(sù)是(shì)非(fēi)常(cháng)快(kuài)的(de)（大(dà)約(yuē)是(shì)30萬(wàn)公(gōng)裏(lǐ)/秒(miǎo)），如(rú)果(guǒ)時(shí)間(jiān)測(cè)量(liàng)的誤差隻有十億分之一秒，也會帶來將近30厘米的誤差。因此，要達到準確的定位效果，衛星上必須搭載有原子鍾用於計時。

除此之外，糖心免费视频所使用的互聯網、移動網絡中的數據傳輸，也要求網絡中的所有設備進行精確的時間同步，來確保數據流的順序性和傳輸的可靠性。否則，用戶的網絡連接將變得不穩定，出現卡頓、傳輸錯誤等(děng)各(gè)種(zhǒng)問(wèn)題(tí)。

電力係統的穩定運行也離不開高精度時間的支撐。電網中所有的關鍵設備都必須以極其精確同步的頻率工作，即使是微小的時間或頻率偏差，都可能對整個電網的穩定性造成嚴重影響：輕則導致局部停電，重則可能引發連鎖反應，造成大規模的電力中斷。

在金融交易領域，高精度時間也是不可或缺。尤其是在高頻交易這種以毫秒甚至微秒級別完成交易指令的場景中，所有交易指令的時間戳都必須達到極致的精確和統一，這不僅是確保交易公平性的基石，也是實現可審計性和有效防止市場操縱的關鍵。

高度依靠原子鍾計時的應用領域 來源：北京大學

不止是銫原子

剛才，糖心免费视频已經介紹了銫原子鍾的工作的原理，而除了這個“基本款”原子鍾，科學家們還設計了各式各樣其它形式的原子鍾，用於不同的用途。

比如，為了使用的方便，有時糖心免费视频並不需要時鍾精確到(dào)它(tā)的(de)極(jí)限，但是希望它(tā)能(néng)夠(gòu)非(fēi)常(cháng)小(xiǎo)。為(wèi)此(cǐ)，科(kē)學(xué)家(jiā)可(kě)以(yǐ)將(jiāng)原(yuán)子(zi)鍾(zhōng)縮(suō)得(de)很(hěn)小(xiǎo)：其(qí)中(zhōng)最(zuì)好(hǎo)的(de)設(shè)計(jì)是(shì)使(shǐ)用(yòng)銣(rú)原(yuán)子(zi)，它(tā)在(zài)元(yuán)素(sù)周(zhōu)期(qī)表(biǎo)上(shàng)的(de)位(wèi)置(zhì)，就(jiù)在(zài)銫(sè)的(de)正上方，因此與銫具有相似的性質。

用銣製作的鍾，雖然準確性上稍遜一籌，但體積更小，成本更低，所以具有很大的商業前景。2019年，NIST研製出了一款芯片級銣原子鍾，它的核心隻有一粒咖啡豆那麽大。

芯片級原子鍾 來源：維基百科

為了追求更高的計時精度，科學家們還在研究其它的時鍾：比如用鋁、鍶等原子製造的光學鍾，它們吸收的電磁波，具有比銫原子鍾更高的頻率，因此能夠帶來更小的誤差。未來，人們還可能用原子核的能級躍遷來計時，一旦這個設想實現，核鍾將成為人類有史以來最穩定的時鍾。

更高精度的時間測量工具，將成為實驗探索暗物質、引力等宇宙更基本秘密的一大基礎。未來的原子鍾，不僅能夠繼續改變糖心免费视频的生活，還能夠繼續推動物理學的發展。原來，看似簡單的“一秒鍾”，其實可真的不簡單呢！

1、http://www.nist.gov/atomic-clocks

2、http://www.nist.gov/si-redefinition/second-introduction

3、http://www.nim.ac.cn/node/262

4、翟造成、張為群、蔡勇、楊佩紅. 原子鍾基本原理與時頻測量技術[M]. 上海: 上海科學技術文獻出版社, 2009.

5、http://www.cas.cn/cm/202501/t20250102_5044028.shtml

6、賀淩翔. 原子鍾在精密測量領域的新應用[J]. 物理, 2023, 52(7): 476-481. DOI: 10.7693/wl20230705

7、http://www.nist.gov/news-events/news/2019/05/nist-team-demonstrates-heart-next-generation-chip-scale-atomic-clock

作者：張一凡

策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

審核：梁文傑 中科院物理研究所研究員