在NIST计时

据报道，爱因斯坦曾说过，时间就是钟的度量值。有人说，我们作为时间所经历的，实际上是我们对熵现象的体验，也就是热力学第二定律。熵，粗略地解释说，是事物变得杂乱无章的趋势。热咖啡总是凉的。它永远不会自我加热。蛋是不会自己解开的。你的房间变得乱七八糟，你必须耗费精力来打扫，直到它再次变得乱七八糟。

在NIST这里，我们不担心任何这些关于时间的哲学概念。对我们来说，时间是两件事之间的间隔。这可能是太阳升起和落下，钟摆从一边摆到另一边，或者是一小块石英的来回振动。为了对秒进行最精确的测量，我们看看原子释放的电磁波，并考虑到该波的两个连续峰值到达探测器所需的时间非常短。这个“频率”--每秒撞击探测器的波周期数--可以用来精确定义非常短的时间间隔。

电磁理论之父詹姆斯·克莱克·麦克斯韦尔(James Clerk Maxwell)是第一个提出我们可以将原子辐射的频率作为一种不变的自然摆使用的人，但他在19世纪中期谈到了这一点，那是在我们能够对单个原子施加任何形式的控制之前很久。我们将不得不等待一个世纪，才能让NIST的哈罗德·莱昂斯建造世界上第一个原子钟。

里昂和他的团队于1949年首次亮相的原子钟，实际上是以氨分子为基础的，但原理基本上是相同的。在室内，原子或分子的气体飞入发射微波辐射的装置。发射器产生频率范围窄的微波辐射。当发射器达到合适的频率时，它会激发最大数量的原子。原子想要尽快失去能量，而能量的损失表现为特定频率的微波。这些微波到达探测器需要一定数量的波长，这就是我们所说的秒。

里昂的钟虽然是革命性的，但在计时方面并不比通过天文观测来计时更好。1955年，NIST在英国的对应机构国家物理实验室建造了第一个使用铯的钟，它的精度足以用作时间标准。NIST的第一个精确度足以用作时间标准的铯原子钟，NBS-2，几年后于1958年建造，并于1960年1月1日作为美国官方时间标准投入使用。它的不确定度为每3000年1秒，这意味着它将时间保持在每年1/3000秒的范围内，与平均每月可能增加或减少1秒的普通石英表相比，这是相当好的。

以铯原子钟为基础的原子秒在国际单位制中被定义为1967年9,192,631,770次辐射的持续时间。直到今天，它仍然是这样定义的。

虽然定义没有改变，但原子钟肯定不一样，原子钟一直在不断改进，变得越来越稳定和精确，直到NIST-7达到了热门时钟设计的顶峰，它在600万年内不会快一秒也不会慢一秒。

为什么我们说“热”钟呢？这是因为在20世纪90年代之前，这些钟内铯的温度略高于室温。在这样的温度下，铯原子以每秒130米左右的速度移动，速度相当快。事实上，速度如此之快，以至于很难对它们进行解读。这些时钟根本没有太多的时间来最大化它们的荧光，并获得更准确和稳定的信号。我们需要做的是给我们的探测器更多的时间，通过放慢原子的速度来获得最佳信号。但是如何使原子减速呢？当然是用激光冷却。

但是激光是如何使物体冷却的呢？激光不热吗？答案是：这要视情况而定。用激光使原子减速的科学是由比尔·菲利普斯和他的同事们开创的，他们因这一壮举而分享了1997年的诺贝尔物理学奖。基本上，他们所做的就是使用一个特别调谐的激光阵列，从各个角度用光子轰击原子。与保龄球一样的原子相比，这些光子就像乒乓球，但如果你有足够的光子，它们可以阻止铯原子的运动，将它们从大约每秒130米减慢到每秒几厘米，给时钟足够的时间来很好地读取它们的信号，并极大地提高时钟的精确度和精确度。

第一个使用这项新技术的钟，NIST-F1，被称为喷泉钟，于1999年投入使用，最初提供了三倍于其前身的改进，使时间保持在每年1/20,000,000秒以内。NIST继续改进NIST-F1和随后的喷泉时钟的设计，直到精度接近每100,000,000年一秒。

不是固步自封，NIST和它的伙伴机构，包括JILA，也在致力于一系列以每秒数万亿时钟“滴答”的光学频率运行的实验时钟。其中一种钟，锶原子钟，每年的精确度在15亿秒以内。这是如此精确，如果时钟在宇宙的黎明开始运转，它不会增加或减少一秒。

但是为什么我们需要如此精确的时钟呢？如果没有如此精确的时间，全球定位系统(GPS)就不会存在。GPS网络中的每颗卫星上都有原子钟，向下面的用户发射关于他们的位置和发送信号的时间的信号。通过测量信号从四颗不同的卫星传到你那里所需的时间，你车里或手机里的接收器可以计算出你在几米或更短的范围内到达哪里。

这种准确的时间也被用来为金融交易打上时间戳，这样我们就可以准确地知道交易发生的时间，这可能意味着赚钱和破产之间的区别。准确的时间对于同步通信信号也是必要的，这样，例如，当你在手机发射塔之间旅行时，你的电话就不会丢失。

随着新的、更精确的时钟的发明，我们肯定会发现它们的用途。与此同时，你将不得不满足于在去约会的路上打电话时，随时知道自己在地球上任何地方的位置。即使你迟到几百万分之一秒，我们也不会为难你。

虽然我确信NIST-FX喷泉钟使用激光冷却来更准确地读取铯原子的输出，但喷泉钟的主要进步不是真的是原子被朝上推进的事实，以便当原子到达其移动的顶端时，重力也会减缓它们的速度吗？

谢谢你的提问。根据我们的时钟专家迈克·隆巴迪(Mike Lombardi)的说法：铯喷泉钟比铯束钟更精确的原因是它们允许与原子进行长时间的相互作用。与F-1的相互作用时间比铯束钟长约100倍，约1秒，而不是约0.01秒(10ms)。这是因为原子首先通过激光冷却减速，然后通过微波腔垂直向上抛出，到达腔体上方约一米处的顶点，然后在大约1秒后通过空腔时再次观察。因此，由于重力，向上的抛出和向下的回落是喷泉如何工作的关键，这是事实，但如果不首先应用激光冷却，这项技术就不会起作用。例如，在第一次激光冷却实验之前，撒迦利亚在20世纪50年代尝试过，但没有成功。

我很高兴我问了这个问题！你让我看了迈克·隆巴迪写的一篇我以前没有读过的很棒的文章。非常感谢。

(1)非常小的原子钟呢？好像我记得有一些可以放在一个很小的盒子里。

(2)GPS卫星上的时钟怎么样？这些有多准确？时钟精度如何转化为位置精度？

感谢您的询价！我们确实有芯片级的原子钟。您可以在这里了解更多关于它们的信息：https://www.nist.gov/news-events/news/2019/05/nist-team-demonstrates-he…。。

NIST不维护GPS系统。您可以在https://www.gps.gov/systems/gps/.上了解有关全球定位系统的工作原理及其精度的更多信息。

(2)有点像刁钻的问题。GPS卫星上的原子钟不必像地面上的原子钟那样精确到秒。空军每天提供两次轻微调整，以保持所有GPS卫星彼此同步。Https://www.nasa.gov/feature/jpl/what-is-an-atomic-clock光速接近每纳秒一英尺(约1/3米)。因此，要使GPS工作，卫星必须同步到比一纳秒更好的程度。

关于GPS，它比你问的问题复杂得多。GPS卫星由区块编号标识。最新的GPS卫星被称为Block III。我相信已经发射了两颗，但还会发射更多。大多数卫星都是Block II的某种衍生产品，没有一颗原始Block II或Block IIA卫星运行正常，剩下的是Block IIR(补给)、Block IIR-M(军事增强补给)、Block IIF(后续)。不同版本的GPS卫星具有不同的性能水平。因此，这不是一个简单的性能方面的答案，因为你在看四种不同类型的卫星。

也就是说，Block IIA卫星(比目前运行的任何卫星都要原始)被设计为自主运行长达180天。这里的关键字是自主的。Block II卫星包含4个原子钟，每个原子钟有两种类型(铯和铷)。它们也经常受到地面站的监视，地面站有自己的原子钟来传输校正信息，所以即使原子钟不是完美的，它们也应该被地面站校正。显然，该规范似乎表明，它可以运行180天而无需修正，并且不会出现性能大幅下降的情况。

但是..。事情变得复杂多了。这些卫星的轨道距离地球中心约12000英里，或距地球中心约16000英里，而我们的轨道距离地球中心约4,000英里。因此，卫星的移动速度大约是我们的4倍，而我们的移动速度大约是每小时1000英里。所以卫星的移动速度比我们的时速快3000英里。所以..。是的，时间膨胀……。我是认真的。如果你不改正它，它将主宰时钟的任何错误。

现在，让我们假设原子钟是完美的，我们完美地解释了相对论。我们用光速除以时间来确定距离。问题是..。光速是多少？真空中的光速是众所周知的，但是穿过大气层呢？这就不那么清楚了(请原谅我的双关语)。空气密度可以改变它，就像水分一样，但真正的杀手是电离层，在那里，它通过带电粒子，可以真正改变光速，这也意味着它可以从字面上偏转辐射。所有这一切在时间和位置上都在不断变化。所有这些错误都很小，但它们会累积起来。电离层才是真正的杀手，这才是主宰接收器性能的因素。

有一些技术可以更好地处理电离层误差，进入广域增强系统--该系统由位于已知位置的地面站监测信号误差，并传输到卫星，卫星向用户转播校正。还有一个局域增强系统，它的工作方式与此相同，但它直接传输给用户，并在更窄的区域内工作(比如机场)。另一种技术称为载波相位跟踪，其中GPS接收器比较来自两个传输(1.2 GHz和1.5 GHz)的载波信号，这可以中和大气干扰，因为电离层的影响非常依赖于频率-不幸的是，由于成本的原因，用户不容易获得载波相位跟踪。Block III卫星在处理电离层不确定性方面将做得更好。

很好的信息，谢谢。我在工程学课上经常谈到的一件事就是时间。必须在某处有时钟或计时源进行同步。

我很好奇为什么在这里选择锶原子钟作为例子，因为NIST有两个更精确的时钟？

是的，这是真的，NIST的镱和量子逻辑时钟比锶时钟更精确。我们之所以选择锶钟，是因为我们认为它是光学钟的一个很好的例子，可能是最接近现实世界实现的一个。

这个问题是为了测试您是否是一个人类访问者，并防止自动垃圾邮件提交。

请在发表评论时保持尊重。我们将不经编辑地张贴所有评论，只要它们适合公共的、家庭友好的网站、有主题并且不包含亵渎、人身攻击、误导性或虚假信息/指控或宣传特定的商业产品、服务或组织。违反我们评论政策的帖子将不会发布。