原子时 铯原子钟的发展历史
原子时 铯原子钟的发展历史
原子时是现代时间计量的重要里程碑，它以铯-133原子的超精细能级跃迁为基础，实现了前所未有的时间测量精度。本文将带你深入了解原子时的定义、历史发展以及铯原子钟的关键作用。
1.原子时详细介绍
原子时（International Atomic Time，简称IAT）是一种以物质内部原子运动的特征为基础的时间计量系统。以下是原子时的详细介绍：
定义和起点
原子时的初始历元规定为1958年1月1日世界时0时，秒长定义为铯-133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。这是一种均匀的时间计量系统，1967年起，原子时已取代历书时作为基本时间计量系统。
秒的定义
原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。原子时由原子钟的读数给出。1967年第十三届国际计量大会决定，把在海平面实现的上述原子时秒，规定为国际单位制中的时间单位。
原子时的产生
原子时秒长稳定，但时刻没有物理内涵。原子时的起点定在1958年1月1日0时0分0秒（UT），即规定在这一瞬间原子时时刻与世界时刻重合。但事后发现，在该瞬间原子时与世界时的时刻之差为0.0039秒，这一差值就作为历史事实而保留下来。
国际原子时（TAI）
由各实验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时。全世界大约有20多个国家的不同实验室分别建立了各自独立的地方原子时。国际时间局比较、综合世界各地原子钟数据，最后确定的原子时，称为国际原子时，简称TAI。
原子钟的应用
原子钟是目前世界上最准确的计时工具，利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒，为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。原子钟使用的元素包括氢、铯、铷等。
工作原理
原子钟的工作原理基于量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差来吸收或释放电磁能量的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波，这种电磁波特征频率是不连续的，也就是人们所说的共振频率。
原子时的重要性
原子时以其高度的稳定性和精确性，在现代科学技术中扮演着重要角色，特别是在需要精确时间同步的领域，如全球定位系统（GPS）、通信网络、金融市场等。
原子时的引入标志着时间计量从宏观的天文观测过渡到了微观的物理领域，为全球提供了一个统一且精确的时间标准。
2.原子时的秒长定义为铯-133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间，这是怎么被发现的
原子时的秒长定义为铯-133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间，这一定义的发现和确定过程是科学发展和技术进步的结果。以下是这一过程的详细介绍：
科学探索和原子钟的发明：20世纪初，随着工业革命和科技的发展，人们对时间的精确度要求越来越高。科学家们开始探索微观世界中是否存在一种元素，其运动周期高度稳定且不受外界环境影响。在这一背景下，原子钟的概念应运而生。1948年，英国制造出世界上第一台原子钟。
铯原子的发现：科学家们发现，铯原子内部的振荡周期比其他原子更短、更稳定，且这个过程基本不受环境因素的干扰。铯原子的这一特性使其成为定义时间的理想选择。
铯原子钟的精确测量：科学家们通过精确测量发现，在一秒内铯原子内部电子周期运动的次数为9192631770次（91亿多次）。基于这一发现，科学家们决定重新定义“秒”的时长，即这个高度稳定的运动周期。
国际计量大会的决定：1967年，第十三届国际计量大会（CGPM）决定采用铯原子跃迁9192631770个周期所持续的时间长度定义为1秒。这一定义取代了之前基于天文测量的秒，使得时间的测量更加精确和稳定。
原子时的确立：基于铯原子振荡制造出来的时钟，被称为“原子钟”。人们基于原子钟确立了一套新的时间标准，称为“国际原子时”（TAI）。从1958年1月1日起，用原子时开始计时，它每走的一秒都是非常精确的一秒。
这一过程体现了科学界对于时间测量精确性的不懈追求，以及量子物理学在时间计量领域的重大贡献。原子时的确立，为全球提供了一个统一且精确的时间标准，对于科学研究、导航、通信等领域的发展具有重要意义。
3.铯原子钟的发展历史
原文链接：NPL：铯：计时技术小史 | 中国计量科学研究院