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10 Strange Facts 关于 原子 Clocks

Two 访客 采取 a 看 at 的 原子 时钟 时间scale at 的 我们。 海军 天文台 in 华盛顿 直流电
Michael Smith/盖蒂图片社

术语"atomic 时钟"可能会让人想起1950年代恐怖电影中的恐怖心理图像: 末日 这个装置是由一个穿着实验室外套的疯子在一座山堡中建造的,它消灭了我们整个星球之前的几秒钟。但是,实际上,原子钟是从爆炸中涌现出来的更有益的发明之一-哎呀,也许不是最佳的词选择-是有关原子及其零件工作原理的知识。这种知识是在第二次世界大战曼哈顿计划开发出原子弹之后产生的。

Unlike 的 炸弹但是,原子钟不会分裂原子,也不会爆炸。取而代之的是,它们在原子的原子核与其周围的电子之间使用振荡(即电荷流的变化),就像老式的祖父钟可能使用摆锤一样。由于原子的振荡涉及非常小的时间单位-例如,铯原子的频率为每秒9,192,631,770个周期-并且非常一致,因此设置为这种振荡的时钟可以比老祖父保持更好的时间时钟[来源: 大不列颠]。

这就是为什么自1940年代末发明原子钟以来,原子钟已成为依赖技术的现代世界中至关重要的工具。原子钟使跨互联网,全球定位卫星系统等复杂系统的时间同步成为可能。

但是对于已经成为我们生活中正常和有益的部分的事物,原子钟仍然有些神秘而神秘。以下是有关这些有用设备的一些无数奇怪和令人惊讶的事实。

早在数千年前人类开始追踪时间的流逝时,他们就是通过观察太阳在天空中的明显运动来做到这一点的,这实际上是由于 地球自转 -- and basing units of 时间 上 that journey. Traditionally, for example, a second was defined as 1/86,400 of 的 average length of a solar day.

But 与 的 advent of 原子 时钟s比地球本身的运动要可靠得多,因此有必要更改该标准。 1967年,第二个时间被重新定义为同位素铯133原子振荡9,192,631,770个周期所花费的时间[来源: 科学museum.org.uk]。

电子学 orbit the center of the atom -- like planets orbiting the sun.
Electrons 轨道 的 中央 of 的 原子 -- 喜欢 行星 轨道ing 的 太阳。
HowStuffWorks

As we explained previously, electrons 轨道 的 中央 of an 原子,称为核。想象一下我们太阳系的一个极小的版本,行星围绕着太阳旋转,您将获得大致的构想。物理学家发现,电子的运动规律出奇地规则-它们倾向于保持在狭窄的轨道范围内,与原子核的距离取决于它们在给定时刻所发射的辐射量。电子进入的最低轨道和最高轨道之间的距离是频率。

In 的 case of cesium, which is used in 原子 时钟s,科学家只关注该元素的55个电子中的一个,即最外层的一个,该电子占据的轨道明显高于其余电子。最外层电子最靠近原子核的轨道和最远处的轨道之间的能量差对应于9,192,631,770个循环的射频。这就是科学家实际上用来计算时间并将其分解成不到十亿分之一秒的非常简短的单位的部分。 科学museum.org.uk]。

In 1948, 的 我们。 National Bureau of Standards built 的 世界's first 原子 时钟。第一个时钟代替铯,使用的是氨原子,氨原子被加热并从铜管中射出。虽然第一个时钟证明了原子钟的概念行得通,但实际上从未用于计时。每四个月,第一个原子钟关闭大约一秒钟。这使其不如现有技术可靠, quartz 时钟, which measured 的 振荡 of a piece of quartz when an electrical charge was applied to it.

最终,科学家们转向使用铯,因为铯的振荡时间较短,并以各种方式改进了设计。 1959年的型号设法使时间保持每2000年误差一秒,而到1964年,时钟已经变得如此精确,以至于它们花了6000年才能失去或获得一秒。今天,最先进的原子钟在使用了600万年之后,仅会关闭一秒钟[来源: 科学museum.org.uk]。

德语 scientist Robert Wilhelm Bunsen, circa 1870
德国科学家罗伯特·威廉·本森,约1870年
E.D. Lange /休斯顿档案馆/盖蒂图片社

对于初学者来说,有时是拼写的"caesium."铯是由罗伯特·本森(Robert Bunsen)在1860年发现的,他是本生灯的发明者,在高中化学系学生中广为人知。令人着迷的令人着迷的东西,在1990年代初激发了互联网新闻组Alt.cesium的创建,专门致力于"讨论,赞美,崇拜和崇拜,歌曲,诗歌,故事和寓言的发布,以及关于这些最崇高元素的寓言" [source: 纳尔逊]。俗称"另一种金金属 "它是颜色不是灰色或银色的三种金属之一(其他两种是金和铜)[来源: 科学美国人]。

自然界发现的铯类型铯133很难定位。产生最多量的天然来源是一种罕见的矿物,称为矿物质,在美国从缅因州和南达科他州的矿石中发现。铯虽然是金属,但会在非常低的温度下熔化-82华氏度(22.7摄氏度)-与冷水接触时会爆炸[来源: 阿贡国家实验室]。在空气中,它有时会自燃,并用明亮的天蓝色火焰燃烧[来源: 纳尔逊]。

You're probably a bit puzzled 通过 this, given that we've spent all this 时间 telling you how much 更多 accurate an 原子 时钟 is due to its use of 的 振荡 铯但是时钟中实际上保留时间的部分是一个标准的石英晶体振荡器,该晶体使一块晶体受到电流作用而使其振动。区别在于,在大多数普通情况下 quartz 时钟s,振荡器在构建时钟时会精确地进行调谐,但此后再也不会检查或调整其频率,这意味着随着时间的流逝,会出现细微的变化,从而使时钟有点快或有点慢。但是,在原子钟中,铯的振荡用于检查石英装置的频率,这正是使时钟达到如此惊人的精度的原因。 科学museum.org.uk]。

原子 clocks around the world are reset periodically to be sure they keep perfect time with the planet.
Atomic 时钟s 周围 的 世界 是 重启 定期地 to be 当然 的y 保持 完善 时间 与 的 行星。
George Diebold

Just before 7 p.m. 上 Dec. 31, 2008, 科学家s wound 的 原子 时钟s 为了使原子钟的国际标准协调世界时(UTC)与地球自转同步,全球正好提前了一秒。并不是时钟停止运转,而是行星,行星的旋转速度每天因各种制动器而减慢约两毫秒:太空尘埃,电磁风暴,太阳风,自身大气的阻力,最重要的是, 月亮's gravity 上 Earth, which not 上ly causes ocean tides, but also makes 的 恩 tire planet bulge.

与我们的超精确原子钟相比,所有这些的作用都是延长了太阳日,并且使它稍微偏离了这一天。这种差异可能需要数百年的时间才能显现出来,因此天空中太阳的位置将不同于房屋时钟上的时间(您可能已根据正确的时间电话号码设置了时钟,基于UTC)。为防止这种情况的发生,1972年,一项国际协议颁布法令,将对原子钟进行定期调整。 道林]。

一个住在山上的人的年龄比住在沙滩上的人的年龄快的想法似乎有些荒谬,但这实际上是事实。这个概念最早是由物理学家提出的,大约一个世纪前 艾尔伯特爱因斯坦,他的狭义相对论理论假设时间不是恒定的,而是相对的。 (这就是为什么称其为相对性。)2010年,美国国家标准技术研究院(NIST)的James Chin-Wen Chou和同事进行了一项测试爱因斯坦推理的实验。他们安置了两个 原子 时钟s 距海平面约30厘米处,发现两个时钟中较高的一个运行得更快。但实际上,差异不会明显。周说,据此,山区居民在79年的寿命中将比去年快900亿分之一秒[资料来源: 康纳]。

一般 Omar Bradley (1893 - 1981), who commanded the 12th U.S. Army during the D-Day landings, shows a rock crystal clock produced by his company as well as an atomic clock.
奥马尔·布拉德利(Omar 布拉德利)将军(1893年-1981年)在D日登陆期间指挥了美国第12军团,他展示了他的公司生产的水晶时钟以及原子钟。
Keystone/盖蒂图片社

If you've ever seen that scene in 的 movie "Goldfinger" 中 which 的 villain threatens to slice 占士邦 在使用激光的一半中,您可能想知道为什么激光不会通过原子钟燃烧一个孔,而不是使其运行得更精确。但实际上它可以做到。忍受我们,因为这变得非常复杂。

原子钟本质上是用微波轰击铯原子,以激发某些动作,然后科学家可以进行测量。常规原子钟的局限性在于它们只能用微波捕获一小部分铯原子。通过使原子经受 激光 光束-一种称为激光泵浦的过程-您可以减慢原子的速度,这使微波有更多机会撞击它们。反过来,这使得信号更加精确,从而使科学家能够利用铯振荡来更准确地标记出关闭时间。奇怪的是,该过程还冷却了铯原子,在开尔文标度上比绝对零高出几百万分之一度[来源: Buell和Jaduszliwer]。

如今,电信公司以零碎的方式传送电话 ,这使他们可以同时通过网络进行大量对话。当您呼叫另一个城市的人时,您的话语会在两端的计算机之间分解和传输,它们在一个对话和另一个对话之间来回滑动,每秒数千次。但是,要使它们正常工作,两台计算机必须保持完美的同步,就像一对难以置信的敏捷乒乓球运动员,他们可以以极快的速度互相击中相当于一小卡车的小球,并且永远不会错过任何一个。如果他们确实错过了,通话将变得混乱,听起来像胡言乱语。这就是为什么如今的电信公司都有自己的原子钟来防止这种情况的发生,方法是始终保持计算机之间几乎始终处于同步状态[来源: 科学museum.org.uk]。

不久, atomic clocks could be even more accurate.
Soon, 原子 时钟s 可以 be 甚至 更多 准确。
格雷格·史密斯/摄影库/盖蒂图片社

Scientists 保持 dreaming up ways to make 原子 时钟s 越来越精确,但是佐治亚理工学院和内华达大学的研究人员最近提出了一项真正令人振奋的进步。用大大简化的术语来说,这就是要解决的问题:他们想要使用激光来重新排列原子的碎片,以便他们可以使用绕轨道运行的中子,而不是像摆锤一样的电子。结果可能是一个时钟,其精度将比现有时钟精度高出100倍,以至于在140亿年中,它失去或获得的时间仅不到二十分之一秒。考虑一下:宇宙本身大约有140亿年的历史,因此,如果可以将这种时钟以某种时间机器的方式发送回开始一切的大爆炸的那一刻,那么它仍然会在今天完美地滴答作响,与曾经发生过的每一刻[资料来源: 科学日报]。

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作者注

我一直对计时和时钟着迷,作为一名小学生,在1960年代,我首先了解了原子钟的奇妙之处,它可以以惊人的精度测量微小的时间单位。但是,直到我开始对此部分进行研究之前,我从未想到有可能构造出比地球自转更精确的计时时钟。但是由于原子钟已被用来证明爱因斯坦的理论,即时间是相对于人的位置和速度而不是常数的,我不得不怀疑是否真的存在着正确的时间。我想下一次迟到截止日期时,我会以此为借口!

相关文章

资料来源

  • "Atomic Clocks." 科学museum.org.uk. (April 17, 2012) http://www.sciencemuseum.org.uk/onlinestuff/stories/atomic_clocks.aspx
  • Buell, Walter F. and Jaduszliwer, Bernardo. "Atomic Clocks Meet Laser Cooling." Crosslink. Winter 1999. (April 17, 2012) http://www.aero.org/publications/crosslink/winter2000/02.html
  • Castelvecchi, David. "Caesium." 科学美国人. March 13, 2012. (April 17, 2012) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=chemistry-the-elements-revealed-interactive-periodic-table
  • 康纳, Steve. "Lower life slows ticking of 时钟." New Zealand Herald. Sept. 25, 2010. (April 17, 2012) http://www.nzherald.co.nz/world/news/article.cfm?c_id=2&objectid=10676027
  • "Cesium." 阿贡国家实验室. August 2005. (April 17, 2012) http://www.evs.anl.gov/pub/doc/cesium.pdf
  • 道林, Danielle. "Why Wait a Second: Why 2008 Was a Long Year." Time. Dec. 31, 2008. (April 17, 2012) http://www.time.com/time/health/article/0,8599,1869250,00.html
  • 纳尔逊, Randall. "Frequently Asked Questions about Cesium and alt.cesium. Rochester.edu. (April 17, 2012) http://www.cs.rochester.edu/u/nelson/cesium/cesium_faq.html
  • "Oscillation." Merriam-Webster Dictionary. (April 17, 2012) http://www.merriam-webster.com/dictionary/oscillation
  • "Proposed Nuclear Clock May Keep Time With The Universe." 科学日报. March 8, 2012. (April 17, 2012) http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120308101331.htm
  • "Time." Encyclopedia 大不列颠. (April 17, 2012) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/596034/time/61038/Atomic-clocks