原子钟有哪些

原子钟有铯原子钟、氢原子钟、铷原子钟、CPT原子钟。铯原子钟它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动；氢原子钟一种精密的计时器具；铷原子钟是所有原子钟中最简便、最紧凑的一种；CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的新型原子钟。

根据原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，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。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，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率一定，例如铯133的共振频率为9、192、631、770Hz，因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

一、为什么是原子钟？

目前国际上的四大卫星导航定位系统，都是利用信号传播时间，通过测量卫星与用户、地面站的距离，进而推导出精确的位置。

只要确定电磁波从用户传到卫星的时间差，就可以推导出两者的距离。

一旦时间差不够精准，就会出现失之毫厘，谬以千里的错误定位。

所以，大家看出来了，卫星导航定位的核心是时间差测量。

时间差测量越精密，位置解算定位就越精确。

在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致03米的距离误差。

同时，不同卫星之间也需要时差测量或时间同步，卫星钟之间有偏差，也无法实现导航定位。

从上面的描述可以看出，要实现精密的时间测量，目前世界上只有原子钟能做到。

原子钟的精度可以达到每100万年时间误差不超过1秒。

因此原子钟技术是整个北斗导航系统的核心组成部分，导航定位准不准，很关键的一点就是看原子钟的准确性。

星载原子钟成为了导航卫星的“心脏”，就如同一块“手表”，为卫星导航用户提供精确的时间信息服务。

星载原子钟就成了绕不开的“拦路虎”，没有它，北斗卫星就上不了天！

二、仰望星空，攻克无“钟”之困

北斗二号系统建设之初，当时世界上只有少数几个国家具备星载原子钟的研制能力，由于中国当时的技术基础还比较薄弱，只好去国外买。

之前，北斗一号卫星用的是两只美国进口的原子钟，指标低，勉强够用。

北斗二号卫星研制初期，还是用的老办法，去国外买。

但国外好几家都以保密为由，一口回绝了。

后来，好不容易找到欧洲一家厂商，答应卖给我们一款产品，技术参数基本够用，正准备签合同。

没想到除了价格一涨再涨，对方还附加了一系列霸王条约：比如卖给我们的产品，档次要比他们用于伽利略导航系统的低一个级别，发货时还必须等待他们国家有关部门的批复等等。

星载原子钟，北斗遭遇了“华为式”卡脖子的技术封锁！！！

“我们再也不能对进口产品存在依赖性了。星载原子钟必须下决心自己搞，就是砸锅卖铁也要做出自己的品牌。” 当时孙家栋院士说。

买不如造！！！

在这种信念的支撑下，2005年，北斗人组织了三支队伍你追我赶进行攻关，用了不到两年的时间就打破了国外垄断，实现了从无到有，从有到精，性能指标不断提高的铷原子钟，填补了国内空白。

当中国宣布星载原子钟研制成功后，国外的原子钟厂商马上就主动找上门来，条件出奇的好，价格也一降再降，但为时已晚，中国已经决定用自己的原子钟建设北斗系统。

2007年，装载有国产原子钟的首颗北斗二号卫星，顺利发射成功。

随后发射的北斗三号卫星更是采用了更高性能铷原子钟。

新一代铷原子钟每天的频率稳定度较之前提高了整整10倍，达到世界先进水平，达到300万年差1秒的精度。

小结：

在任何具有战略意义的领域，被其他国家实施技术封锁，就会面临“卡脖子”的困境。

我们唯有坚持自主创新，让一项项关键技术掌握在我们自己手中。

现在，距离北斗一号工程立项已经过去了27年，北斗系统攻克了星间链路、高精度星载原子钟等160余项关键核心技术，突破500余种器部件国产化研制，实现北斗三号卫星核心器部件100%国产化。

“空谈误国、实干兴邦。”

日前，我国采取一箭双星方式，成功发射了北斗三号第三、四颗组网卫星，这两颗卫星上均装载了中国航天科工二院203所研制的一台高精度铷原子钟和一台星载氢原子钟，技术指标达到国际先进水平。

网络配图

原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备，其研发涉及量子物理学、电学、结构力学等众多学科，目前国际上仅中、美、俄等少数国家具有独立研制能力。星载原子钟主要应用于导航系统，分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟3种。美国的GPS导航系统、欧洲的伽利略导航系统及俄罗斯的格洛纳斯导航系统，均采用了铷原子钟搭配铯原子钟，或者铷原子钟搭配氢原子钟的方案，充分发挥了铷原子钟体积小、重量轻及铯原子钟、氢原子钟长期性能优异的特点。

网络配图

作为导航卫星的“心脏”之一，高性能的星载原子钟对导航精度起到决定性作用。相比北斗一期、二期工程中单纯采用铷原子钟，本次发射的北斗三号导航卫星上装载有新一代高精度铷原子钟，比前代产品体积更小、重量更轻，技术性能大幅提升。

历害了我的国。

原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

根据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，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。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，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

卫星定位对时间的要求极高，即使是微秒级别的误差，都很有可能最终导致定位误差好几百米。如果是差了一秒钟的话，偏差是不可想象的。为什么会这样呢？卫星以79km/s的速度，在地球引力作用下绕地心做匀速圆周运动。真的所谓差之毫厘，谬之千里。如果卫星定位不准确，那还要来干嘛呢？那问题就来了，卫星是如何做到时间的绝对精确的呢？据说我国的北斗卫星系统做到300万年只差一秒钟，你没有听错是300万年只差一秒钟。你是不是唬我？300万年只差一秒钟，人类现阶段是怎么做到对这些时间做计算的呢？或者做对比的呢？这些时间差又跟谁作为标准呢？没有参照物又如何说有差异呢？今天我们就来聊聊北斗卫星的铷原子300万年只差一秒钟，它是如何做到的？

要知道有误差，那得先有参照物。在我小的时候，家里有一个挂钟；因为挂钟经常有时间的偏差，一头半个月就要重新调整一次。我们如何知道有偏差的呢？因为过去都看新闻联播，每到晚上7点新闻联播就会准时播放；这个时候就是我们调挂钟时间的最好时段，因为电视上会有相关的时间显示。但今天我们调整时间的参照物就简单得多了，比如我们手机上有显示时间，我们电脑上有显示时间，这些时间都是跟你的运营商为准的。那问题又来了，运营商或中央电视台的时间就一定准确吗？网络的时间又如何保证它是准确的呢？北斗卫星上的铷原子钟300万年只差一秒，它又是用什么来做参照物的呢？在古时候我们是依靠太阳所晒下来的阴影，来作为时间的参考；有一种工具叫做日晷，它就是利用太阳照射的影子方向来确定当时的时间，这个工具在当时对时间要求不高，是能满足当时 社会 的需求的，但到了今天这个玩意，就完全达不到咱们的要求。自从人类第1条铁路诞生以来，人们就开始对时间有了准确的需求，是为了保证乘客能够准时达到火车站，并乘上通往下一站的火车。而这个钟就是我们熟知的英国大本钟，正因为大笨钟的出现，我们对时间有了比较准确地掌握。

时间是什么？时间是记录事物变化过程的单位，比如地球自转一圈，我们称为一天；从月圆到月缺再从月缺到月圆，我们称之为一个月；地球围绕太阳转一圈，所用的时间是365天，我们称之为一年。所有的时间都是周期的循环，一日复一日，一夜复一夜，一年复一年。但随着人类科学的进步，人们对时间的要求越来越精确；随着对太空和微观世界的 探索 ，过去时间的精确度，已经无法满足现在的需求。直到1967年，第十三届国际度量衡大会对秒有了新的定义，铯13原子振荡9192631770次为1秒钟，为什么？只是科学家们为了将秒划分成更小的单位而已，而经科学家测试，铯13原子振荡9192631770次（赫兹）的时间刚好是1秒钟。我们来看一个例子，石英表里面有个石英晶振，每秒震动32,768次，为什么震动32,768次呢？因为石英表采用了16位的计数器2的15次方，刚好等于32,768；而普通机械表每秒钟只振动5次，这就可以很明显的看出两者的差距了，机械表出现时间偏差远远高于石英表，事实上也是这样。不过现在带手表已经不是为了时间，更不在乎时间的准不准。

铯13原子振荡的次数是石英表英晶振次数的28万倍，想必大家知道铯13原子钟有多精确了吧。原子钟有很多种，不仅有铯原子，还有氢原子铷原子等，美国的星上所用的是铯原子钟，而我国用的是自己研发的铷原子钟，铷原子钟相对于其他原子钟来说，铷原子钟的体积更小，重量更轻，功耗更低，寿命更长，且制造成本也更低。

我国发明铷原子钟是一段让人骄傲的过程的，大家都知道，西方国家一直都在打压我国的 科技 发展，无论是民用的（比如，华为、中兴、抖音、微信等）还是军用的。我国发展航天 科技 更是受到阻拦，几乎没有得到西方国家的技术，只能靠自己，所以我们的航天 科技 都是完全自主的。而这一次在北斗卫星的建造的过程中，我们就面临一个大问题，就是时间如何保证准确，但我国没有相关的技术，打算向发达国家购买，可是西方国家不但不想卖给我们，还想借一个机会打压我国的项目。根据国际电联的规定，卫星的频率资源是谁先申请谁先用，如果你在规定的时间内没有用，那这个频率就将释放给别人申请，而当年我国申请北斗2号使用的频率，所剩的时间不到一年，没原子钟我们的项目就只能延期了，所申请的频率不得不让给欧洲伽利略系统，因为两者的进度非常近。好的频段是有限的，我们不得不加抓紧时间搞出原子钟，无论是买还是自己造。买短期是不可能的，只好自己造。经过大半年每日每夜的研发，最终2007年第1颗搭载国产北斗导航卫星发射成功了，距离国际电联规定的时间只差了几个小时，可以说是惊心动魄。

为什么西方国家就认为我国做不出来呢？原子中的技术难点到底在哪呢？而这一切难在精度上，将1秒钟分9192631770次振荡，想一想都怕，要我们在1秒内数20次都变得不可能，可况9192631770次，精度越高难度就难，相应的技术难度可以说是指数级的增长。光刻机难在哪里，也是在精度上。铷原子钟和光刻机我国也有公司能做，但是精度根本不是一个级别，而他们所要用的也不需要如此高精密，民用与航天用的完全不是一个级别。其实通信用的信号基站也要用到铷原子钟，有时候我们手机通话，偶而出来一个莫名其妙的外来声音，这种电话串话的情况，实际上这很可能是原子钟频率漂移导致的原因。

我们是怎么知道铯13原子1秒振荡9192631770次（赫兹）的，这就不得不说共振频率的概念了，当两个或两个以上的振荡频率一致时就发生了共振，共振会产生极大的能量，有极强的冲击力。就在今年咱们有一条大桥因为海风与车流的频率产生了共振，导致大桥出裂痕，被迫封桥检测。其实原子钟也是利用共振的方法，在量子世界中不同能级原子之间跃迁（小圏转到大圈的过程）的过程中，会吸收能量和释放能量产生电磁波。科学家们就利用这个电磁波，在铷原子钟设备里，加上微波发射器和微波接收器，微波发射器发射出一个频率，就等于发出一个振荡，当原子吸收振荡能量时，就会从低能级跃迁到高能级，当原子绕了一圈后，就会跃迁到低能级释放能量，如果发射器的频率跟原子的跃迁频率一样，就会产生最强的信号，这个时候原子钟微波接收器就接到振荡频率，我们就可以知道原子的振荡频率，而它振荡了多少次就可以知道了。

时间校准如下：

所谓的原子钟时间校准是：利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准和校准时间频率信号。

原子钟研发涉及量子物理学、电学、结构力学等众多学科。目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。星载原子钟主要应用于导航系统，分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟三种。国际导航系统均采用了铷原子钟搭配铯原子钟或铷原子钟搭配氢原子钟的方案。

原子钟的精准：

日常生活中使用的钟表，哪怕走得再准，一年下来也会有几十秒的误差。同样是计时，原子钟的精度则不可同日而语。

目前用于原子钟的元素包括氢、铯、铷等，精度最高的原子钟，哪怕从恐龙灭绝时走到现在，误差也不到3秒。其中，铷钟是应用最为广泛的原子钟，其体积小、成本低、可靠性和环境适应性好，可大量应用于武器装备、电信、电力等行业。

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