诺贝尔物理学奖|梳理近70年诺奖成果，库叔发现了一个大秘密！慎点！太烧脑了…( 五 ) 价电子|原子|半导

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原子钟和GPS
精准定义时间和方位

准确地记录时间是人类文明最重要的标志之一。从古代的日晷到近代的钟摆，时间的计量方式在不断地进化。工业革命时期发明的机械钟表一直是人类机械制造工艺的顶峰。
到了20世纪下半叶，第三次科技革命（信息革命）让石英晶体振荡器成为了更准确的计时方式，并大幅拉低了钟表的价格。如今所有的电子设备中都配备着石英晶振来计时，它利用石英晶体在施加电压时产生的振动频率，计时精度一般能做到一年只差一秒左右，满足我们日常生活所需。

但是在高精尖的科技领域，人类需要更准确的计时工具，那就要进入微观领域，借助量子力学的威力了。

利用量子力学计算电子在原子核周围的分布得到电子在该原子中的能级结构，并知道哪些原子的哪些电子能级具有较高的准确性。选取适合的原子，把它的电子在准确能级间跃迁辐射出的光子的准确频率测量出来，就是原子钟的原理。

注：根据量子力学，能量=普朗克常数×频率，能级间隔越准确，电子跃迁发射出的光子能量也就越准确，且光子的频率也越准确。

美国物理学家拉比（1944年诺贝尔物理学奖得主）在1945年率先提出了利用电子能级跃迁实现原子钟的原理。 1949年，拉姆齐改进了拉比的原子束方法，让原子束两次通过微波场，大幅消除噪声，获得了更精确电子跃迁频率，这个方法成为了原子钟的标准技术。拉姆齐因此获得了1989年诺贝尔物理学奖。

今天的全球时间标准是用铯原子钟定义的，即用铯-133原子（一般采用元素周期表最左侧的一列的原子做原子钟，因为它们最外层只有一个电子）的最外层电子的基态能级和第一激发态能级之间的频率（能量差/普朗克常数）作为标准。

注：一秒钟定义为9192631770除以该频率，也就是以该频率振荡9192631770个周期所需要的时间。

除了铯原子钟以外，氢原子钟和铷原子钟也得到了非常广泛的应用。这些采用常温原子的原子钟的时间准确度已经到了10的负13次方，即几万年只差一秒的水平。

1989年，由朱棣文、菲利普斯、塔诺季发展出的激光冷却原子技术，可以将原子冷却到几十微开尔文的温度（仅比绝对零度高十万分之几度），这样由原子热运动引起的能级不确定度被大幅压缩，原子钟的频率稳定度进一步提高，时间准确度可以达到10的负16次方量级，也就是几亿年才差一秒的水平。

最新的光学频率原子钟（即光钟，用原子在可见光频率的电子能级跃迁代替在微波频率的电子能级跃迁）的时间准确度可以达到10的负18次方量级，也就是从宇宙大爆炸到现在（138亿年）才差一秒的水平。

原子钟除了为人类社会提供精确的时间以外，还有一个非常重要的作用，就是全球导航定位。

无论是美国的GPS系统、欧洲伽利略系统，还是我国的北斗导航系统，都需要天上几十颗卫星组成覆盖全球的无线网络，这些卫星最核心的设备就是原子钟。每颗卫星都将原子钟提供的时间信息作为信号发送给地面。地面每个接收器如果接收到两个卫星的时间信号，就可以通过时间差计算出自己离两个卫星的距离的差是多少（时间差乘以光速），这个差分布在一条双曲线上。

当接收器接收到第三颗卫星的时间信号后，便又可以计算出和其他两个卫星的距离差，即另外两条双曲线。三条双曲线的交点就是这个接收器相对三个卫星的定位点，因此至少需要三颗卫星来做定位。卫星上的原子钟提供的时间越准确，导航系统的定位也就越准确。

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卫星导航定位不仅大量用车载和船载，还有我们使用的每台手机中，都安装了微型的GPS接收器。通过相对多颗卫星的定位来确定在地球上的位置，这也成为很多移动互联网应用必不可少的一个功能。

以上，从半导体到芯片，从激光通讯到磁盘存储，从显示屏到数码相机，从原子钟到卫星定位……我们不难发现，量子论不仅改变了人类对世界的基础认知，也使我们的生活发生翻天覆地的变化。而量子论与信息科学的融合，正孕育着一场新的变革。

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