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石英表如何计时?卫星使用的原子钟是何原理?

2024-09-14

钟表为何能准确地显示出时间呢?其实钟表计算时间的方法只有一个,那就是振动。


其实很简单,石英表就是通过石英的振动来计算时间的。在石英表内负责计时的就是由石英晶体所制作的石英振荡器,而石英振荡器在出厂的时候,其振荡频率会被统一调整为32768赫兹,也就是说在给石英振荡器通上电之后,它每振荡32768次就是一秒钟,非常精确。


因为石英的振荡频率非常稳定,所以石英表也不容易出现误差,甚至于一些比较好的石英表,因为内部安装的石英震荡器质量很高,所以几万年的时间所累计的误差还不到1秒钟,的确可以代代相传。


导航卫星就是一个需要更精确测量时间的设备。为什么呢?导航卫星确定一个物体的位置,依靠的是这个物体和多个卫星之间的距离,而测量距离则是通过卫星向该物体发射信号后测量信号返回的时间,所以只是一丝一毫的时间误差,都可能导致“差之毫厘谬以千里”的结果,特别是对于军用导航系统来说,即便是二三十米的误差,也会导致无法精确命中。所以为了精确计算时间,导航卫星会使用原子钟来进行计时。


原子钟是不是就是通过原子的振动来计算时间的钟表呢?原子的振动在这里的确发挥了重要的作用,但真正用于计时的其实还是石英钟。在给原子钟通电之后,里面的石英震荡器会开始振动,振动会向外发电,而这些产生的电荷会被转化为振荡频率为9192631770赫兹的微波。在原子钟内部有着一个铯原子发射器,所发射出的铯原子有高能级和低能级两种状态,在经过磁场之后,两种状态的铯原子会发生不同方向的偏转,其中低能级铯原子会与石英震荡器所产生的微波相遇。


由于铯原子的振荡频率也为9192631770赫兹,与微波相同,所以在受到微波照射之后,会发生共振,转为高能级铯原子。然后这些高能级铯原子会通过另一个磁场,偏转到一个探测靶之上。如果石英振荡器的振动频率改变,微波的频率就会发生变化,也就无法与低能级铯原子实现共振,于是低能级铯原子便没有办法转为高能级铯原子,也就不会偏转到探测靶上,此时系统就知道出现了误差,于是会通过电击进行纠正。所以原子钟比单纯的石英钟更加精确,即便工作100亿年,也不会出现1秒的误差。


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