原子钟种类？钟有那些种类

1秒钟到底有多久？新研究首次对比3个顶级原子钟

作者 | 唐凤 “滴答、滴答。”对很多人而言，呼吸间就是1秒；表盘上秒针走一步就是1秒。

近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）领导的一个研究小组通过空气和光纤链路，以迄今最高的准确度比较了基于铝、锶、镱的3种原子钟。研究结果朝着更精准复现秒定义的目标迈出了重要一步。 这项工作首次比较了3个基于不同原子的时钟，也是第一次将不同位置的原子钟隔空相连。3月25日，相关论文刊登于《自然》。

“这些发现向秒的重新定义迈近了一步，并有助于寻找宇宙中难以捉摸的组成部分——暗物质。”未参与该研究的英国特丁顿国家物理实验室的Rachel Godun在同期发表的观点文章中写道。 什么是秒 远古时代，人们对时间的参照来源于太阳。

日出而作、日落而息，地球自转为人们提供了时间判断标准，这种时标被称为“平太阳时”，也叫“世界时”。 慢慢地，人们开始对时间进一步细分，秒出现了。最初，人们借助天文观测得到地球自转的平均周期（即日长），然后细分成86400份，进而得到秒长。

这也是天文秒。 20世纪20年代，天文学家发现，由于季节性气流和洋流的运动，地球自转有周期性变化。于是，人们开始提出新的计时方法——原子时。

1948年，英国制造出世界上第一台原子钟。 原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，其中以光波段的电子振动为振子的时钟称为光钟。光晶格钟是光钟的一种。原子钟的准确度使其成为计时和其他精确测量的绝佳工具。

这是因为原子会在特定频率发射和吸收光子，这个过程基本不受环境因素干扰。 1967年，国际计量大会决定用原子秒取代天文秒，秒长定义是碱金属铯133同位素基态两个超精细能级之间跃迁辐射的9192631770个周期所持续的时间间隔。1958年1月1日零时零分零秒成为“原子时”的计时起点，并与“世界时”重合。 1972年，实验室型铯原子基准钟正式成为复现秒定义的手段。

此前，科学家曾演示过频率准确度达小数点后18位的原子钟，超过了目前用于定义秒的铯原子钟。不过，想要获得更准确的秒定义，就必须对这些原子钟进行比较。迄今为止，使用不同种类原子的钟，频率比值的最高测量准确度能把测量不确定度降到小数点后17位。 “我们需要对这些光学钟进行测试，以确认它们的工作精度达到我们评估的水平。

当我们致力于最终基于光学时钟重新定义国际原子钟时，同样的频率比值可以由世界各地的其他团体测量到。”该研究通讯作者、NIST物理学家David Hume在接受《中国科学报》采访时说。 部署天罗地网 Hume和同事部署了一个由3种原子钟组成的网络，并比较了它们在2017年11月至2018年6月间各自的频率比值。

这些原子钟分别放置在科罗拉多州博尔德市各个地点的大楼里。 这些原子钟是NIST不同实验室的铝离子时钟和镱晶格时钟，以及位于1.5公里外JILA（NIST和科罗拉多大学的联合研究所）的锶晶格时钟。 但测量工作面临前所未有的挑战——这3个原子钟以截然不同的频率“滴答”，因此所有的网络组件都必须以极高的精度运行，无线连接也需要尖端的激光技术和设计。

“所有这些时钟都经过了多年的不断改进和评估。建立原子钟网络面临的主要挑战之一是将原子钟组合在一起，并让它们同时以高准确度运行。为了使测量成为可能，我们采用了3个光学时钟、许多相位稳定的光链路（包括一个自由空间的光链路）和飞秒频率光梳。”Hume说。

其中，空中光链路的关键是光梳的使用，后者可以精确地比较不同的频率。研究人员开发了双向传输方法，即使在大气湍流和实验室振动的条件下，也可以在空中精确地比较光学时钟。该研究也是第一次用基于梳状结构的信号传输技术比较最先进的原子钟。

自1967年以来，秒的定义基于铯原子在微波频率下的跳动。新研究中使用的原子钟以更高的光学频率滴答作响，这种频率将时间分成了更小的单位，从而提供了更高的精度。 精确到小数点后18位 该研究比较获得的测量精度范围可以达到小数点后18位，这是频率比值不确定度首次小于小数点后17位。 具体而言，光纤和空中无线链路的不确定度都只有1018分之6到
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而且，所有3类原子钟都具有卓越的性能，并有望进一步改进。例如，NIST的镱原子钟代表了原子的固有频率，误差可能在1018分之1.4以内。 研究人员还描述了如何通过空中链路在镱时钟和锶时钟之间传输时间信号，他们发现这个过程的工作效率与光纤一样好，且比传统的无线传输方案精确1000倍。

这显示了最好的原子钟是如何在地球的远程站点之间同步的，以及时间信号如何在更远的距离上被传输，甚至在宇宙飞船之间传输。 新研究也创下了其他重要纪录。NIST团队测量了频率比值，即三对（镱—锶、镱—铝、铝—锶）原子频率之间的定量关系。这是�。

钟有那些种类？

钟是计量和指示时间的仪器。机芯直径一般大于50mm，厚度一般大于12mm。

现代的一些小型钟，也有用表的机芯装上钟的外壳的。 钟的发展经历了数千年的历史(见钟表技术史)。现代钟随着使用范围的不断扩大，功能日益增加，种类也越来越多。一般可按振动原理、能源和结构特点、主要用途进行分类，并常以几种分类方法混合命名。

[编辑本段]原理分类 彩漆嵌铜活鼓字盘钟 绝大部分的钟是利用周期性振动过程来计量时间的。按其产生周期性振动的原理，钟可分为4类：①频率较低的机械振动钟,如摆锤式机械钟、摆轮游丝式机械钟等。其振动频率通常为数赫甚至 1赫以下，日差（见钟表日差）为10～120秒／日,高精度天文摆钟的日差为每天千分之几秒。

②频率稍高的普通电磁振动钟，如音叉钟、晶体管钟、交流同步电钟等。其振动频率通常在1000Hz以内,日差为2～20秒／日。③频率较高的石英振荡钟，如各种石英电子钟。

其振荡频率通常在5MHz以内（有32768Hz、4194304Hz等），日差一般在0.2秒／日以内,高精度石英电子钟已达到几十年误差不大于1秒。④频率更高的原子振荡钟,如铯原子钟。频率为9192631770Hz（原子时的秒长，是铯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），其准确度和稳定度极高，相对频率稳定度可达10-1
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鉴于此,1967年,国际度量衡委员会决定,以铯原子钟的原子时的秒长，作为时间计量标准。 按能源和结构特点分类 可分为机械钟、电机械钟、交流同步电钟、电子钟、光电钟、温差钟等。①机械钟：由机械能驱动，通常以重锤或发条作为贮能元件，钟的各个基本组成部分均由机械零件构成(见机械钟表机构)。有摆钟、闹钟、旅行钟等。

②电机械钟:由电能(交流电或电池)驱动,其基本组成部分既有机械零件又有电子元器件，振动系统采用机械振动与电磁线路相结合。有晶体管钟、电摆钟、音叉钟等。这类钟的走时精度比普通机械钟有所提高,使用也比较方便。但结构复杂,在石英电子钟大量投入市场以后，已很少再发展了。

③交流同步电钟：振动系统实际上是发电厂的发电机，钟的机芯主要是个同步电机，将电能转换为机械能，驱动指针系统运转。这种钟的走时精度受供电系统交流电源的频率稳定性制约。④电子钟:由电能(交流电或电池)驱动,其基本组成部分一般由电子元器件构成（指针系也有采用机械传动的）。电子钟中使用最多的是石英电子钟。

由于采用了振荡频率稳定的石英振荡器和相应的集成电路,石英电子钟比其他各类钟有明显的优越性，包括走时精度高、稳定性好、使用方便、耗电量小、走时延续时间长、体积小、功能多、制造成本低等。石英电子钟指示时刻的方式有指针式和数字显示两种，有的钟两种方式均具备(见石英电子钟表结构)。⑤光电钟：以光（包括自然光和电灯光）作为能源，并用硅光电池将光能转换为电能，输入蓄电池以供应钟的电能。

硅光电池的充电电压和电流可以根据需要进行设计。这类钟虽然避免了更换电池的麻烦，但增加了制造成本。⑥温差钟：以空气温度升降变化使某种物质产生的能量作为能源。

这类钟是将一种膨胀系数特别大的物质(如氯乙烷，C2H5Cl)装入可伸缩的密封盒内，盒的一端与上条机构联动。当空气温度变化而引起密封盒热胀冷缩时，即可自动上条。钟的机芯是一种专门的机械机芯。这类钟成本较高，生产量很少。

[编辑本段]用途分类 可分为生活用钟和专用钟（或称技术用钟）两大类。不同的机芯结构可以制成同一用途的钟，而同一结构的基础机芯，只要增加或改变少数零部件,又可制成不同用途的钟。①生活用钟:人们在日常生活中计时用的钟。

包括旅行钟、单机台钟、闹钟、座钟（见摆钟）、扭摆钟、挂钟(又称壁钟)、落地钟、塔钟、子母钟、世界时钟、电波钟（用于公共场所，能接收发射台发出的时间信号）和花坛钟等。②专用钟：具有专业性计时功能的钟。用于工业、交通、天文、体育、军事等部门。包括周波钟（能指示发电厂发出的交流电的50Hz频率的误差值）、作息钟、考勤钟、定时开关钟、积时钟（累计工作时间）、汽车钟、船钟、航海天文钟、坦克钟、潜艇钟、体育用钟（见体育用钟表）、天文台用精密摆钟、铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟等。

为了扩展钟的用途,可在各种类型的基础机芯上,增加附加机构以增加功能。这些附加机构有单历机构、双历机构、三历（日期、星期、月份）机构、各种活动体、各种报时装置等。

分子种类 原子钟类 元素种类 物质种类是什么意思？

分子种类就是保持不同化学性质的分子，以构成分子的原子种类和构成方式作为划分标准，是微观角度，不同分子代表不同物质，物质种类是宏观角度原子种类是以原子中的质子数和中子数共同决定，元素种类则只由质子数决定

从最早的日晷到原子钟，人类关于时间计时的发展史

格林尼治标准时间（GMT）作为一种通用时间参考标准，已经使用了120多年。现在，由于地球自转速度的减慢，格林尼治标准时间可能有一些误差。

从古人最初尝试用日晷测量时间，到原子钟精度记录达到“17亿年仅1秒”（2009年记录）的先进设备，人类一直在为精确测量时间而奋斗。然而，一个人的生活中几乎没有任何活动需要精确到少于几秒的时间。那么，这样精确的时钟能工作吗？我们来谈谈时间测量之类的话题。 作为时间测量这个话题的先行者，我们首先应该谈谈时间概念本身的起源，虽然这不是一件容易验证的事情。

人们普遍认为，自然界中的周期现象是启发人们产生时间概念的原因之一。例如，“年”的概念来源于四季循环，“月”的概念来源于月相盈亏，“日”的概念来源于昼夜交替，构成了一个粗略的时间尺度。 然而，根据日常经验，要找到一个比“天”短、足够可靠的周期运动并不容易，因此需要人工方法来测量较短的时间。

我们聪明的祖先发明了钟。最早的钟出现在五六千年前。它利用太阳阴影的变化来标记时间。

但是，日影的变化与地点和季节有关，在多云的白天和夜晚将不再存在。我们该怎么办？所以古人又发明了水钟。

它用稳定的水流来标记时间，出现在三四千年前。但是水钟也有缺点，就是不能在太冷的气候下使用，那我该怎么办呢？人们又发明了沙漏。在中国宋代，人们也用烧香的蜡烛来祭祀。武侠小说中经常提到的“一炷香”概念，估计就是由此而来的。

此外，人们的脉搏也曾被用作粗略的计时依据，但脉搏的频率不仅因人而异，而且受情绪、运动、 健康 等因素的影响甚至对同一个人来说也是如此，所以效用相当有限。水钟、沙漏和香烛的燃烧都试图使用统一的物理过程来计时。不幸的是，那些被认为是统一的过程实际上并不统一，每天至少有10分钟的误差。这些粗糙的时钟伴随着人类 社会 走过漫长的中世纪，进入了文艺复兴时期。

此后，随着海上贸易的兴起，时钟成为船舶定位的工具。在船舶定位中，纬度可以通过观测太阳或北极星的角度来确定，而经纬度则需要时钟的帮助。 航海时代，荷兰科学家惠更斯于1656年发明了一种新的钟——钟摆钟。半个多世纪前，伽利略发现了摆的等时性，即摆的周期与其振幅无关，这实际上是摆钟的原理。

伽利略自己就利用这一原理设计了一个钟摆钟，但未能付诸实践。惠更斯在研究中注意到伽利略发现的摆的等时性并不严格，严格的等时性需要摆线。钟摆钟的出现给钟族带来了前所未有的繁荣，但钟的精度仍然不高。

此后，半个世纪后，一场严重的沉船事故终于把钟的精度推到了最前线。这是1707年10月的一个晚上，英国肖恩海军上将率领的舰队由于定位错误，在英格兰西南部的西里岛附近触礁。英国皇家海军最好的四艘军舰沉没，大约2000名官兵被埋在海底。

这消息震惊了英国。在军方和商界的再三催促下，英国议会于1714年悬赏一个时钟，可以将船只的定位精度提高到20海里。在靠近英国的纬度，相当于整个航程的时间误差不超过2分钟。最终，英国钟表制造商哈里森（Harrison）赢得了这项奖励，他在1761年冬天的一次海试中设计了一款81天5秒的钟表。

1773年，哈里森80岁时，这个奖励终于实现了。以今天的货币计算，这个奖项的价值约为200万美元，超过了诺贝尔奖的奖金。 此后，人们不断提高摆的精度。

1921年，英国铁路工程师肖特制作的钟摆钟创下了每年只有一秒的新纪录，被一些天文站视为标准钟。但这是摆钟最后的荣耀，因为仅仅六年后，新一代的石英钟在美国贝尔实验室问世。石英钟利用石英晶体的一种特殊特性，称为压电效应。利用这一特性，人们可以使适当频率的电场与适当形状的石英晶体发生共振，然后利用共振频率测量时间。

石英钟的出现，消除了过于复杂的齿轮系统给摆钟带来的磨损和阻尼，其精度很快就超过了摆钟。 除了高精度外，石英钟还有一个很大的优点，那就是它可以测量非常小的时间间隔。如前所述，人们发明钟表的原因是不容易发现比“月”短的自然周期运动，因此不可能测量比“日”短的时间。

摆钟也存在这个问题，但程度不同，因为摆钟的周期通常在秒的量级上，所以不可能测量到比秒短的时间。但是石英钟的振动周期只有几万甚至几千万秒，所以它可以测量很小的时间间隔。1932年，科学家利用石�。