当停电后又恢复供电时，您如何知道将时钟设置为几点？你有没有想过时间是如何调节的？
在美国，时间标准由美国海军天文台主时钟(USNO) 规定，它是国防部的官方时间来源。这些机制的影响以闹钟、计算机、打录机和会议日程表的形式被我们所有人感受到。我们将学习所有关于原子钟的知识，以及它们如何让世界运转！
如果您阅读过GPS 接收器的工作原理，您就会知道原子钟对系统极其重要。您还经常在新时钟的广告中听到原子钟，这些时钟会自动与科罗拉多州博尔德的原子钟同步。原子钟对各种科学事业也很重要。
那么让我们从时钟的一般概念开始。时钟的工作是记录时间的流逝。所有时钟都通过计算“谐振器”的“滴答声”来做到这一点。
在摆钟中，谐振器是一个钟摆，时钟中的齿轮通过计算钟摆的共振（来回摆动）来记录时间。钟摆通常以每秒摆动一次的频率共振。数字时钟使用电力线上的振荡（美国每秒 60 周，欧洲每秒 50 周）或石英晶体的振荡作为谐振器，并使用数字计数器计数。时钟的精度取决于指定频率下谐振器的精度。
原子钟是使用原子的共振频率作为其谐振器的时钟。根据大英百科全书，谐振器“由原子或分子的量子跃迁（能量变化）发射或吸收的微波电磁辐射的频率调节”。
这种方法的优点是原子以极其一致的频率共振。如果你拿任何铯原子并让它共振，它会以与任何其他铯原子完全相同的频率共振。铯 133 的振荡频率为每秒 9,192,631,770 次。这种精度与石英钟的精度完全不同。在石英钟中，石英晶体的制造使其振荡频率接近某个标准频率；但是制造公差会导致每个晶体略有不同，温度等因素会改变频率。铯原子总是以相同的已知频率共振——这就是原子钟如此精确的原因。
如果您认为Apple Watch是最酷的计时产品，请三思。德国Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)的科学家刚刚在 Physical Review Letters 杂志上发表了一篇关于历史上最准确计时设备的论文。它大大击败了之前的冠军原子钟。事实上，新的单离子时钟非常精确，可能迫使我们重新定义“秒”是什么。
要了解单离子钟，就必须先了解它的前身原子钟。科学家们花了很多时间观察原子。他们已经发现，当原子的电子在原子中从一个能级跃迁到另一个能级时，它们会做很多可预测和可检测的事情（还记得你在学校必须画的那些电子云吗？）。在原子钟中，原子被迫相对静止，然后用已知频率（如激光或微波）的能量发射。电子由于这种能量爆炸而移动，而时钟会计算这些移动。时钟通过结合两个已知事物（电子的行为和能量爆炸的特性）来计算一个未知事物（已经过去了多少时间）来知道过去了多少时间。
计时的准确性是通过每个“滴答”的长度与其他“滴答”的长度相匹配的精确程度来衡量的。原子钟的计时形式非常准确，以至于我们目前对“秒”的定义来自目前最好的原子钟——铯原子钟。科学家通过他们的系统不确定性水平来衡量时钟的准确性，这是一种错误率。
德国人的单离子钟在这一点上击败了原子钟的计时系统。其系统不确定性为 3 x 10 -18。这比铯原子钟好 100 倍，这是自从物理学家汉斯·德梅尔特 (Hans Dehmelt) 在 1981 年表示这是可能的以来，科学家们一直在努力达到的精度。
PTB 单离子钟使用镱离子 Yb ，但英国和中国也有基于其他离子（如 Sr 、Ca 和 Al ）的单离子钟研究项目。
在 PTB 从事光学时钟工作的 Christian Tamm 博士通过电子邮件告诉我们，“这些离子系统中的每一个在精度潜力和技术复杂性方面都有其独特的优点和缺点。”
Tamm 补充道，“Yb 似乎具有挑战 Al 的高精度潜力，但也许基于 Yb 的时钟更容易实现和优化。”
这一发现比仅仅确保您准时参加下一次游泳比赛具有更大的意义。超精准的计时对GPS乃至互联网都产生了巨大的影响。PTB希望使用它的时钟来检验物理理论。
科学家们提出了一个实验来寻找具有双拉子相互作用的超轻标量暗物质 (DM)。在存在CP违反。超轻膨胀子 DM 充当背景场，可以在标准模型参数（例如精细结构常数和质子-电子质量比）中引起微小但相干的振荡。这些微小的变化可以通过原子钟的精确频率比较来检测。我们的实验将当前对基本常数漂移的搜索扩展到动机良好的高频区域。我们提出的设置可以探测比1个0−15 电子伏特具有发现双拉子耦合的潜力1个0−11倍重力强度，将电流等效原理的界限提高了多达 8 个数量级。我们指出潜力1个04个未来光学和核钟的灵敏度增强，以及引力波探测器中可能的特征。最后，我们讨论了超轻标量 DM 的宇宙学约束和天体物理学提示，并表明它们与我们提议的实验室实验可访问的参数范围互补并兼容。
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