原子鐘的原理是什麼？

02-26

能形象一點就最好啦。
輸出一個頻率後，怎麼把這個頻率用來確定時間呢？怎麼做的呢？普通人對這個最難理解啦。

卸腰。

之所以回答是因為逐漸發現很多人都搞不清楚這個問題，今天決定盡量簡單澄清。

這其實是兩個問題，很多人都把這兩個問題搞混了，所以就把這個問題弄的不清不楚的，目前我看到的中文網路上也沒有見到說的非常清楚的。這兩個問題是：1，科學領域的原子鐘是怎麼把頻率確定到時間的。2，生活領域中原子鐘是怎麼把頻率確定到時間的。這是看起來很像一回事但完全迥異的兩個事。

先說生活上的。其實很簡單，就是數數。比如，一個石英手錶內部有一個石英晶振，這個晶振輸出10MHZ的信號，意味著這個晶振輸出的電壓每秒改變一千萬次，於是做一個計數器對輸出電壓計數，一千萬次了就讓秒針動一下，就這麼簡單。

所以鍾準不準，其實就是輸出電壓的頻率準不準，比如這個10MHZ的石英錶，假設有1HZ的頻率不準，那麼每一千萬秒就會差一秒，也就是11天半差一秒了。新聞中說什麼幾萬年差一秒，也就是這麼算的。

另一個方面，既然說到頻率準不準，這就是科學方面關於原子鐘定義到時間的了。科學方面關於時間的定義乾脆就是用頻率定的，是銫原子的某個躍遷頻率的××倍，所謂的這個躍遷，也是一個每秒改變××次的電壓信號（隨時間變化的電壓就是電磁波了）。

於是在科學上，一個鍾準不準，實際上是這個鐘的輸出信號的頻率，和標準銫原子鐘之間的頻率差。這個頻率差就是用電路手段進行測量了，並且很少有人關心怎麼變成秒。

一般是參考原子振動的頻率，把石英晶振的頻率鎖定在10MHz的頻率上，有了一個穩定的頻率，通過脈衝發生器，產生相應頻率脈衝，然後數脈衝個數就可以計算時間了。

感覺中文科普性的資料和論壇非常匱乏，原子鐘這個問題我了解一二，以下是我的見解。

頻率只是周期的另一種表述，一個穩定的頻率對應一個穩定的時間長度（周期）。比方說你穩定的每分鐘吸氣30次，那麼就可以用你吸氣兩次的時間間隔（2 秒）來定義時間，而這個時間間隔可以通過測量兩次氣流流動來確定，這個氣流是直接測量的物理量。

時間的長度定義從最初的觀測日月星辰，到鐘擺，再到石英鐘，現在標準時間用原子鐘來定義，本質是就是尋找一個穩定的周期現象，原理跟上面的呼吸氣流一樣。鐘擺是機械振動，原子鐘是電磁波裡面的電場強度的振動，所謂振動也就是某個物理量的周期性變化。銫原子的外圍原子躍遷對應的電磁波是9 GHz，用一個示波器來顯示，就有一個正弦函數，兩個波峰的時間間隔是個固定的時間長度，跟上面的原理一樣。

電磁波在真空中的傳播速度是光速，至於為什麼我解釋不清，這導致頻率和波長一一對應。GHz頻率屬於微波，波長是厘米級別，比較好理解，也容易測量。可見光的波長是數百納米，頻率是THz，沒有任何電子儀器可以直接測到這麼快的變化，只能通過其他物理現象來確定波長。用來表述一個特定電磁波的特徵的概念很多，波長、頻率（比較少用）、光子能量eV，都是一回事。這也是最新的研究方向，用可見光、紫外光來定義時間，會是下一代的「鍾」。

總之一句話，一個可測量的穩定的周期性變化的物理量，就可以用作「時鐘」。

原子鐘是把本振源的頻率鎖定到原子的參考躍遷譜線上，從而達到穩定頻率輸出的一種精密計時方法。目前的一級秒定議是銫噴泉鍾，在巴黎，全世界的鐘都發到CIPM進行統計，然後接收到他們的較准信號。

至於頻率是怎麼到時間的，是一個非常難的問題，因為誰也不知道一秒到底有多長，但是通過同樣系統的自比對和不同系統的差頻比對，就可以相互較准，使頻率的差別在一個不確定度內，比如多台Cs鍾。

我是這麼理解的，頻率和周期是互為倒數的，計時周期的穩定性重複導致了時間的計量（我不喜歡用定義，因為時間到底是什麼應該是另外一個問題），從最開始的地球自轉，月球公轉，沙漏，擺鐘，到晶振，和現在的原子鐘，他們都是把穩定的重複（也就是頻率）某件事情作為時間計量的。Cs的參考頻率（鍾躍遷頻率）是9.1GHz，也就是一秒鐘重複9.1*10E9次，用一個計數器計這麼多次的時間就是一秒了，也就是單次測量的最好精度在9.1*10E-9（當然不確定度又是另外一個概念）。

知道石英鐘或者電子鐘的原理嗎？

根源是晶振，是用石英材料做的，這種材料有個固有特徵就是一旦給它施加工作電壓它就會以固定頻率震動。那麼，假如它振動頻率是10MHz，也就是一秒震動10M次，所以就對其計數10M小就是一秒，同理滿60s就是一分，滿60分就是一小時，這樣一個時鐘就成功了。

不同時鐘後面的原理都一樣的，不同就是時鐘源，石英鐘用的晶振，大笨鐘用的鐘擺，原子鐘就是利用原子固有的震動特性罷了。

都是數數。

其實題主想問的是：在原子鐘里，頻率明明是用來表示能量大小的，為什麼變一下就能表示時間了，是這個意思吧？同時直覺題主對輸出頻率理解得還不夠

這麼久了估計現在題主肯定明白了，只是當時沒轉過彎來，不過看回復，我覺得還是再說一遍吧。

是這樣的，原子鐘涉及頻率主要有兩個過程：

一個是原子內部指定能級躍遷需要能量，這個能量對應一個固定的頻率。如果外部對原子發射的頻率正好與固定的頻率相等時，原子就高潮了，喔不，能級躍遷了，同時旁邊會有鑒定原子到底有沒有高潮的裝置

二是外部對原子發射頻率通常是微波發生器或激光器，並且還有倍頻移頻鑒頻等技術輔助，說得極端點，微波發生器和激光器的頻率是可以1Hz、1Hz往上加的（呵呵）。也就是說，使原子高潮的外部頻率由於是外接設備產生，是可調可知可計數可利用可轉化的

說到這裡就很清楚了，最終直接轉化成時間的輸出頻率不是躍遷頻率（雖然大小一樣），而是使使她高潮的由設備產生的共振頻率。

最後，不要問我激光器微波發生器的頻率怎麼換成時間，拒絕回答，原理在大物書上就有，具體技術參考微電子或電子信息方面的教材