时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？( 三 ) _小知识

第一次计时东西的冲破来自于石英钟。固然石英钟的黄金时代已经慢慢曩昔，智妙手环，智妙手表才是将要登场的本家儿力军。可是不成否定的是石英表的降生在钟表行业掀起了惊涛骇浪，史称“石英革命” 。石英有一种特别的性质，在某一偏向加上电场可以引起垂直偏向的机械振动。振动周期取决于石英晶体的固有频率。换句话说，石英晶体的频率不取决于晶体的大小，晶体的外形。是以分歧处所的人并不需要彼此比对，就可以包管获得的周期是不异的。同时石英的频率在MHz量级，对应周期仅为亚微秒量级，是以日常利用中完全可以将计时转化为“数周期”，这就将半个周期带来的误差减小到可以忽略的水平。别的石英表的造价相对于传统的机械表也大为削减。是以，上宿世纪70-80年月，短短几十年的时候，石英表就如雨后春笋般呈现在了人们糊口的方方面面。然而没有什么工作是完美的。石英晶体的周期固然酿成了固有属性，解决了周期的基准性这一问题，可是仍然会受到情况温度、湿度的影响。尽管这种影响很小，跟着科技成长，日益增加的对时候精度测量的需求很快就难以知足了。在领会下一次计时革命之前我们可以先从“石英危机”中获得些开导：计时频率较大，计时周期需要被物理学定律所庇护，外界的情况尽可能的不变。

图5 石英钟的工作道理丨图片来历: 亨吉利宿世界名表中间
现代时候基准的寻宝图
这三个偏向也当作为寻找时候绳尺的寻宝图。按图索骥，需要较大的频率，人们将方针转标的目的了电磁波；需要周期不变，人们起头在微不雅粒子的宿世界试探；需要外界情况不变，人们起头研究低温物理甚至超冷物理。电磁波，微不雅粒子，低温这三者当作为了时候尺度的清规戒律。为了便利起见，这样的“钟”下文统称为“微不雅粒子钟” 。微不雅粒子钟很难让人们和通俗的钟表联系起来，现实上它们的外不雅也绝对不会让人联想到钟表，而更像是科学尝试室里的科学设备。不外从日晷到摆钟，从水滴钟到石英表，在文明的时候标准来看，计时东西从降生起就没有一个同一的外表。这些微不雅粒子钟往往只是作为时候校准源，而不是直接的授时源。直白来讲，微不雅粒子钟的焦点部件只会给出一个“节奏”，拍子的节拍十分不变，并且频率很是快。经由过程计数单元时候内的拍子数量来判定另一个正常的钟表是快了仍是慢了，然后由外围设备主动地矫正这个钟表。近似操练乐器时的节奏器为歌手供给节拍上的参考。
从微波到光
“三驾马车”中我们先来谈谈电磁波。电磁波是一个大师族，从无线电到γ射线，频谱规模跨度极大。最早被用来做钟的是微波波段。微波波段的频率在百兆到百吉赫兹，这个频率对应的时候周期在微秒到纳秒量级。比起石英表，这个周期可以达到的精度极限更高。除此之外，微波旌旗灯号和现有的电子学相匹配。经由过程电路设备，无论是比力频率，仍是计数周期数，都在其所能达到的规模之内。微波谐振手艺也供给了不变的频率和较纯的微波源。这些也促当作了微波原子钟当作为微不雅粒子钟的前锋。
但跟着人们对计时精度要求的进一步提高，百吉赫兹也显得左支右绌。人们起头标的目的更高的波段摸索。激光的呈现使人们可以制备和微波源的机能可以匹配的可见光源，是以操纵光频段来建造微不雅粒子钟当作为了更好的选择。光钟的频率在百太赫兹量级，比起微波来更具优势。可是光钟的成长过程却并不是一帆风顺的。很长时候以来光钟研究的最大障碍是时候比对！获得不变的微波，用它作为旌旗灯号源，操纵电子学上的一系列有力的东西，就可以用这个旌旗灯号源来校准时候。可是光频段的电子器件成长之路此刻仍是布满荆棘。就算获得了频率超等精确不变的光源，也很难用来校准其他时候旌旗灯号，很难在计时范畴让它大展四肢举动。早期的研究为了实现光频段和较为当作熟的微波频段的比对，人们不得不利用很多级频率锁定设备。将微波频率利用电子学设备频频倍频，将光源频率操纵光学手段不竭减半，才勉强可以将两个频段规模迥异的电磁波锁定起来。此中手艺难度大不说，每一级操作城市增添系统的不不变性，引入额外的误差降低旌旗灯号机能。直到光梳的呈现才解决了这一问题。光梳就像是在频率上一只梳齿间距十分平均的梳子。让人们可以横跨几个数目级将分歧频段规模的旌旗灯号直接比拟较。至此利用光频段旌旗灯号作为时候基准旌旗灯号源的手艺障碍被断根。今朝宿世界上精度最高的计时东西就是光频段的原子钟——光钟！精度已经达到10-19次方量级。

时间都去哪了？时间从哪里来！我的时间怎么测量？( 三 )

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