原子鐘是怎樣工作的？為什麼精度能高達兩千萬年才誤差一秒？

鐘錶最明顯的作用就是記錄時間，所有的鐘錶都是通過計數「諧振器」的「刻度」來做到這一點的。

在擺鐘中，諧振器是鐘擺，並且時鐘中的齒輪通過計數鐘擺的諧振（來回擺動）來跟蹤時間。擺錘通常以每秒一次的擺動頻率共振，時鐘的精度由諧振器在指定頻率的精度決定，精度最高的也只有每年一分鐘左右的誤差。原子鐘是使用原子的諧振頻率作為其諧振器的時鐘，其精度高達兩千萬年才誤差一秒。基本上，原子在吸收或發射能量時會出現共振或「振動」。

原子由原子核與外層電子組成，原子核帶正電，帶負電的電子繞著原子核運動。元素中的電子都處於不同的能級，即它們與原子核的距離不同。但是在每個元素中，電子只能處於一個特定的能級或「軌道」。

當電子吸收能量時，它們會躍遷到更高的能量狀態（將其看成是遠離原子核）。當電子釋放能量時，它們會躍遷到較低能量狀態（將其看成是接近原子核），損失的能量作為電磁輻射（微波、光波等）被釋放出來。能量狀態之間的這種躍遷就是原子鐘要測量的「振蕩」。

這種方法的優點是原子以非常一致的頻率諧振。原子鐘使用銫，每個銫原子都會以完全相同的頻率共振，銫-133每秒振蕩9192631770周期。這種精度與其他類型的時鐘完全不同，因為它不受像溫度這樣的環境問題的影響——這就是原子鐘如此精確的原因。

所以用銫我們的時鐘可以精確到1/9192631770秒！

如何製造銫原子鐘？

為了製造原子鐘，首先加熱銫，使得原子沸騰，沿著保持高真空的管道傳送。首先，它們通過一個磁場，能篩選出處於合適能量狀態的原子。然後，它們通過一個很強的微波場。微波能量的頻率在一個較小頻率範圍內向後和向前掃描，使得在每個周期中的某一點，穿過恰好9192631770赫茲的頻率。微波發生器的範圍已經接近這個精確的頻率，因為它來自一個精確的晶體振蕩器。當銫原子接收了頻率完全精確的微波能量時，它將改變其能量狀態。

在管道的遠端，另個一磁場把已改變能量狀態的原子分離出來，前提是該微波場處於完全精確的頻率。管道端部的探測器檢測出與其撞擊的銫原子數比例，因此當微波頻率完全精確時，結果達到峰值。然後，用該峰值進行必要的微小校正，以使晶體振蕩器和微波場在頻率上達到準確。最後將該鎖定頻率除以9192631770，就得到現實中所需的每秒一個脈衝。

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