原子鐘

原子鐘（Atomic clock）是一種時鐘，它以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確。原子鐘是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準，也是國際時間和頻率轉換的基準，用來控制電視廣播和全球定位系統衛星的訊號。

原子鐘並不使用放射性計時，而是使用電子轉變能級時釋放的精確微波訊號。早期的原子鐘為附上工具的激微波。今天最好的原子鐘是以原子噴泉中冷原子的吸收光譜法作爲基礎的。

## 歷史

利用原子遷躍來估算時間的概念在1879年首次由開爾文男爵提出。磁共振的方法則由伊西多·拉比在1930年代發展出來，並成為製作原子鐘的核心技術。

1945年，拉比首次公開宣稱原子束磁共振可用於製作鐘錶。第一個原子鐘是氨微波激射器，1949年製成於美國的國家標準局（National Bureau of Standards）。當時使用分子鐘命名，是當時最精確的計時工具，但這個原子鐘還沒有現在的石英鐘準確。

1952年，美國國家標準局宣布了第一個使用銫原子作為振動源的原子鐘。該時鐘名為NBS-1。

1955年，第一個精確的原子鐘由路易斯·埃森根據銫-133的躍遷製成於英國國家物理實驗室。銫原子鐘的標度依照天文學的星曆時（ET）。

自1950年代以來，原子鐘開始依靠氫-1、銫-133和銣-87的超精細遷越製造。第一個商業化的原子鐘是National Company製造的Atomichron，這種原子鐘在1956年至1960年間售出至少50個。這些初代商業原子鐘巨大而笨重，1964年被更輕巧的機架式原子鐘取代。

1971年：銫原子鐘環球飛行實驗首次證實了狹義相對論,兩個經過校準的銫原子鐘在經歷不同加速歷程後產生了誤差。

1999年12月29日，NIST-F1 銫原子鐘其不確定度為1.5×10−15，相當於2000萬年不差一秒。在2013年，其準確度為每1億年加/減1秒的誤差(3.1 × 10−16)。自1993年至1999年，使用NIST-7原子鐘，不確定度達到5×10−15，相當於600萬年不差一秒。

2004年8月，美國國家標準技術研究所的科學家發明出了晶片尺寸的原子鐘，根據研究人員所述，這種新的原子鐘只有同類的1%大小，所需能量不過125mW。因此該原子鐘可以使用電池來續航，2011年此技術開始商業化。

2011年8月26日，BBC報導英國國家物理實驗室的NPL-CsF2 銫原子鐘在1億3千8百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘(2.3 × 10−16)。這一結果在儀器儀表行業期刊Metrologia上發表。

2013年7月9日，巴黎天文台物理學家洛威茨克（Dr Jerome Lodewyck）率領的研究團隊，在「自然通訊」（Nature Communications）期刊發表報告指出，鍶-87原子「光晶格鐘」(optical lattice clock）通過精準度測試，顯示比1967年起採用至今的國際計時基準銫原子鐘還要精確，每3億年才會出現1秒的誤差。有「未來計時器」之稱的光晶格鐘可望改寫1秒的定義，成為新的計時基準。

2014年4月3日，美國國家標準技術研究所的NIST-F2 銫原子鐘正式上線，計劃設計標準為3億年的時間內的誤差不會超過1秒鐘(1 × 10−16)，實際內部測試精度為1.1× 10−16。2014年和2015年三月由國際計量局公布測量出的精度為相當於2億1140萬年不差1秒鐘(1.5 × 10−16)。

2014年8月7日，中國計量科學研究院(NIM)研製並運行的 「NIM5銫原子噴泉鍾」通過評審，被接收為國際計量局（BIPM）認可的基準鍾之一，參與駕馭國際原子時（TAI）。NIM5是在科技部和國家自然基金委的支持下，由中國計量科學研究院研製的第二型銫原子噴泉鍾(NIM-CsF2)，2010年通過專家鑑定。目前其不確定度為1.5×10−15，相當於2000萬年不差一秒。中國計量科學研究院正在進行新一代銫原子噴泉鍾NIM6的研製，目前已進入調試階段，全部完成後時間頻率不確定度將達到5×10−16，相當於6000萬年不差一秒。2017年改進後的NIM5不確定度達到 9×10−16，相當於3500萬年不差一秒。

2016年2月，義大利國立計量研究所(INRiM)，於 2016年2月國際計量局(BIPM)報導IT-CsF2 銫原子鐘，在1億8千7百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘(1.7 × 10−16)，使用許多由美國國家標準技術研究所的NIST-F2部件組裝而成。

2016年9月15日，中國載人航天天宮二號空間站，載荷十四項空間科學實驗，其中空間冷銣原子鐘誤差三千萬年加減一秒（1×10−15）。

2019年5月20日，中國計量科學研究院院長方向在接受採訪時說。5月20日是第20個「世界計量日」，今年「世界計量日」主題為「國際單位制（SI）——根本性飛躍」（The International System of Units - Fundamentally better）。時間是國際單位制的七個基本物理量之一，是目前所有物理量中準確度最高、應用最廣的物理量。方向透露，NIM6銫原子噴泉鍾目前正在評定認證過程中，今年有望投入使用。而與NIM5銫原子噴泉鐘相較而言，6號有著飛躍性的創新發展，有望達到1億年不差一秒(3.1×10−16)甚至更精準。「從4號鍾、5號鍾再到6號鍾，從600萬年不差一秒精準(5×10−15)至一億年不差一秒，每一次進步看起來都是微不足道的非常短時間，然而這微小的變化卻是這個技術一個時代的更迭進步。」方向感慨，這一代代的演進也很好地詮釋了「計量人」的追求，希望時間越來越精準，離時間近一點，再近一點。

2019年6月25日，深空原子鐘樣本 2019-036C發射首次試飛。NASA噴氣推進實驗室(JPL)的托德·埃利解釋說，這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來計時，而目前地球GPS衛星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計時。由於深空原子鐘內部的汞原子帶有電荷，它們會被困在電場中，因而無法與其容器壁相互作用﹔相比之下，GPS原子鐘內部的這種相互作用會導致銣原子失去節奏。該項目首席研究員、NASA噴氣推進實驗室(JPL)的伊爾·舒伯特在新聞發布會上說，如果深空原子鐘在太空中試驗的這一年進展順利，那麼它最早在本世紀30年代就可以開始執行任務，能為未來的單向導航打好基礎。宇航員將可以用其在月球表面進行導航，也可以安全地自主執行任務，前往火星以及更遠的深空。減少與地球之間的通信——這將是太空飛行器目前航行方式的巨大改進。

2019年9月11日，在Nature的兩篇論文中，Masuda等人和Seiferle等人共同報告了⼀種新型的核鐘(Nuclear clock)，而這個時鐘反而使用原子核的兩個狀態之間進行轉換。這樣的核鐘勝過現有的銫原子鐘。核鐘可以應用於暗物質研究和觀察物理基本常數的可能變化。這樣的釷-229「核鐘」可能達到三千億年誤差不超一秒鐘，大約(1× 10−19)的不確定性。

2019年12月25日，中國計量科學研究院宣布NIM6已完成研發，準確度優於5400萬年不超過一秒(5.8 × 10−16)。

2020年10月27日，國際計量局(BIPM)報導，德國ptb-csf2銫原子鐘，在1億8千7百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘(1.7 × 10−16)。法國syrte-fo2銫原子鐘，在1億3千8百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘(2.3 × 10−16)。俄羅斯su-csfo2銫原子鐘，在1億4千4百萬年的時間內的誤差不會超過1秒鐘(2.2 × 10−16)。

## 應用領域

原子鐘的發展已促成許多科學和技術進步，例如精確的全球和區域導航衛星系統以及在網際網路上的應用，這些技術在很大程度上取決於頻率和時間標準。原子鐘安裝在時間信號無線電發射器的位置。他們應用在一些長波和中波廣播電台中，以提供非常精確的載波頻率。原子鐘在許多科學學科中，如在射電天文學長基線使用干涉測量。

### 全球導航衛星系統

美國空軍太空司令部運營的全球定位系統（GPS）提供了非常準確的定時和頻率信號。GPS接收器通過測量至少四個但通常更多的GPS衛星的信號的相對時間延遲來工作，每個GPS衛星至少具有兩個機載銫和兩個銣原子鐘。相對時間在數學上轉換為三個絕對空間坐標和一個絕對時間坐標。GPS時間（GPST）是一個連續的時間標度，理論上精確到大約14納秒。然而，大多數接收器在信號中會失去準確性，並且僅精確到100納秒。GPST與TAI（國際原子時間）和UTC（協調世界時）相關，但有所不同。GPST與TAI保持恆定的偏移量（TAI–GPST=19秒），並且像TAI一樣不執行閏秒。定期對衛星中的車載時鐘進行校正，以使其與地面時鐘保持同步。GPS導航消息包括GPST和UTC之間的差異。截至2015年7月，GPST比UTC提前17秒，因為UTC在2015年6月30日增加了閏秒。接收機從GPS時間中減去此偏移量以計算UTC和特定時區值。

俄羅斯航太集團運營的格洛納斯系統（GLONASS）提供了全球定位系統（GPS）系統的替代方案，並且是第二個在全球範圍內運行且具有相當精度的導航系統。GLONASS時間（GLONASST）由GLONASS中央同步器生成，通常優於1000納秒。與GPS不同，GLONASS時標像UTC一樣實現閏秒精確。

伽利略定位系統是由操作歐洲導航衛星系統管理局(GNSS)和歐洲空間局和附近實現全面運行覆蓋全球。伽利略於2016年12月15日開始提供全球早期作戰能力（EOC），提供第三套，也是第一套非軍用的全球導航衛星系統，當時計劃在2019年達到完全作戰能力（FOC）。為了實現伽利略的FOC覆蓋星座目標，需要添加計劃中的額外衛星。伽利略系統時間（GST）是一個連續的時間標度，它是由地面站義大利富奇諾伽利略控制中心生成的精確定時設施，它基於不同原子鐘的平均值，並由伽利略中央部分維護，並與TAI，標稱偏移低於50納秒。根據GNSS機構的說法，伽利略提供30納秒的定時精度。歐洲GNSS服務中心於2018年3月發布的季度績效報告指出，UTC時間傳播服務精度為≤7.6納秒，這是通過在過去12個月中累計樣本並超過≤30納秒的目標得出的。每個伽利略衛星都有兩個被動式氫微波激射器和兩個銣原子鐘，用於機載計時。伽利略導航資訊包括GST，UTC和GPST之間的差異（以促進互操作性）。

北斗衛星導航系統北斗2/北斗-3是由中國國家航太局運營。北斗時間（BDT）是從2006年1月1日UTC0:00:00開始的連續時間標度，並在100納秒內與UTC同步。北斗於2011年12月在中國投入使用，使用了10顆衛星，並於2012年12月開始為亞太地區的客戶提供服務。2018年12月27日，北斗導航衛星系統開始提供據報導的20納秒定時精度的全球服務。覆蓋全球的第35顆也是最後一顆北斗3號衛星於2020年6月23日發射入軌道。

### 無線電發射機時間信號

無線電時鐘是由政府無線電的裝置通過接收的無線電接收器自動同步本身的時間信號。許多零售商將電子鐘作為原子鐘銷售不準確。儘管它們接收到的無線電信號來自原子鐘，但它們本身並不是原子鐘。普通的低成本消費級接收機僅依靠幅度調製的時間信號，並使用帶有小型鐵氧體線圈天線的窄帶接收機（帶寬為10 Hz）以及具有非最佳數位訊號處理延遲的電路，因此只能期望以±0.1秒的實際不確定性精度來確定秒的開始。這對於使用標準質量石英鐘的無線電控制的低成本消費級時鐘進行每日同步的計時就足夠了。儀器等級的時間接收器可提供更高的精度。距無線電發射器每300公里（186英里）的距離，此類設備會產生大約1毫秒的傳輸延遲，許多政府出於發射時間的考慮而操作發射器。

## 外部鏈結

- What is a Cesium atom clock?
- National Research Council of Canada: Optical frequency standard based on a single trapped ion
- United States Naval Observatory Time Service Department
- PTB Braunschweig, Germany - with link in English language
- National Physical Laboratory (UK) time website
- NIST Internet Time Service (ITS): Set Your Computer Clock Via the Internet
- NIST website
- Web pages on atomic clocks by The Science Museum (London)
- Optical Atomic Clock BBC, 2005
- Optical lattice clock; Journal of the Physical Society of Japan
- The atomic fountain
- 國際計量局(BIPM)的協調世界時(UTC)年度報告
- 國際計量局(BIPM)的基準原子鐘年度評鑑
- 儒略日(JD)-公曆轉換 公式：簡化儒略日(MJD)=JD-2400000.5