銫原子鐘

**原子鐘**（英語：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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。

1955 年，第一個精確的原子鐘由路易斯・埃森根據銫 - 133 的遷越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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）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，國際計量局（BIPM）正式通知：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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），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）。目前全球統一使用的國際標準時間是由國際計量局主導的協調世界時（UTC）。國際計量局將分布在全球 53 個國家 70 多個守時實驗室的 400 多台原子鐘所報送的數據進行加權平均，再利用獲其認可的少數幾個國家計量院研製的「世界上最好的基準原子鐘」數據加以校準，產生國際原子時（TAI），再經閏秒即產生 UTC。迄今為止，除了中國的 NIM5，先後只有法國巴黎天文台 (LNE-SYRTE)、美國、德國聯邦物理技術研究院 (PTB)、義大利、日本情報通信研究機構 (NICT)、英國、俄羅斯國家物理工程和無線電技術計量科學研究院 (SU)7 國的 14 台銫原子噴泉基準鍾得到國際計量局的認可，參與駕馭國際原子時。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，步入國際先進行列的「第一梯隊」。2017 年改進後的 NIM5 不確定度達到 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）9×10−16，相當於 3500 萬年不差一秒 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。

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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），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，中國載人航太天宮二號空間站，酬載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（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）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 —— 這將是太空載具目前航行方式的巨大改進。

2019 年 9 月 11 日，1967 年 CIPM（國際計量委員會）定義秒是銫 - 133 原子鐘是目前計時的⻩⾦標準。這些裝置基於原子的兩個狀態之間的轉變來測量時間。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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），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，如在無線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營運的全球定位系統（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 奈秒。 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 奈秒。 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。

俄羅斯航太營運的格洛納斯系統（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 奈秒。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) 和歐洲太空總署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 奈秒。 根據 GNSS 機構的說法，伽利略提供 30 奈秒的定時精度。 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 奈秒，這是通過在過去 12 個月中累計樣本並超過≤30 奈秒的目標得出的。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 是由中國國家太空總署營運。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 奈秒內與 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 奈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。

## 參考文獻

## 外部鏈結

* _What is a Cesium atom clock?_
* S.R. Jefferts, T.P. Heavner, T.E. Parker and J.H. Shirley (_NIST Time and Frequency Division_). NIST Cesium Fountains − Current Status and Future Prospects (PDF). Acta Physica Polonica A. 2007, **112** (5): 759 _ff_ [2014-04-26]. Bibcode:2007AcPPA.112..759J. （原始內容存檔 (PDF) 於 2021-01-07）.
* National Research Council of Canada: _Optical frequency standard based on a single trapped ion_
* United States Naval Observatory Time Service Department （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* PTB Braunschweig, Germany - with link in English language （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） by The Science Museum (London)
* Optical Atomic Clock （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 國際計量局 (BIPM) 的基準原子鐘年度評鑑 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 儒略日 (JD)- 公曆轉換 公式：簡化儒略日 (MJD)=JD-2400000.5 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參見

* 核鐘
* 量子鐘
* 天文鐘
* 深空原子鐘
* 儒略日