导航、通讯、交易……现代生活离了这位“计时员”可怎么转！-新闻中心-科技有限公司

导航、通讯、交易……现代生活离了这位“计时员”可怎么转！

发布时间：2025-11-18 09:30:02

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【导语】2025年，量子力学诞生满百年，其深刻改变了现代科学及日常生活。如今，手机自动校准时间、地图精准导航，背后都离不开原子钟这一量子力学“计时神器”。它以原子跃迁定义时间，精准度惊人，从卫星导航到金融交易，从互联网到电力系统，全方位守护着现代生活。原子钟的奥秘与广泛应用，正等待我们一探究竟。

编者按： 2025年，距量子力学的诞生恰好过去100年。在这100年间，量子力学已成为现代科学的基石，也(yě)改(gǎi)变(biàn)了(le)我(wǒ)们(men)的(de)日(rì)常(cháng)生(shēng)活(huó)。本(běn)系(xì)列(liè)文章(zhāng)从(cóng)身(shēn)边(biān)的(de)常(cháng)见(jiàn)事(shì)物(wù)出(chū)发(fā)，深(shēn)入(rù)浅(qiǎn)出(chū)地(de)介(jiè)绍(shào)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)的(de)原(yuán)理(lǐ)，以(yǐ)纪(jì)念(niàn)这(zhè)一(yī)伟(wěi)大(dà)成(chéng)果(guǒ)，并(bìng)为(wèi)更(gèng)多(duō)好(hǎo)奇(qí)的人打开了解它的一扇窗。

“你知道现在是几点吗？”

你汗流浃背地赶到约定的地点，迎面而来的却是对方的质问。你拿出手机，看一眼屏幕上显示的时间，对这个问题的答案倒是很自信——相比于过去用机械手表计时的时代，现在的手机联网自动校准时间，根本没有什么误差。不过，这当然也意味着，“手表慢了”再也不能成为你约会迟到的借口。

还好，对方放过了你的迟到，并接着下一个议题：“去今晚我们约定的餐厅，应该怎么走？”

你依旧自信地打开手机的地图软件，搜索餐厅的名字，软件立刻给你推荐出最合适的路线，可以把你们精确地送到餐厅门口。

于是，你们快乐地出发了。虽然你可能没有注意到，以上这两件事情的实现，背后都离不(bù)开(kāi)一(yī)个(gè)专(zhuān)业(yè)“计(jì)时(shí)员(yuán)”的(de)默(mò)默(mò)付(fù)出(chū)——这(zhè)就(jiù)是(shì)原(yuán)子(zi)钟(zhōng)。这(zhè)一(yī)对(duì)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)理(lǐ)论(lùn)精(jīng)妙(miào)的(de)利(lì)用(yòng)，直(zhí)接(jiē)用(yòng)原(yuán)子(zi)来(lái)作(zuò)为(wèi)计(jì)时(shí)工(gōng)具(jù)，彻底改变了人们对时间的认识，也改变了我们日常生活的方方面面。

时间的守护者

说起一秒钟，你肯定觉得，这是上小学之前就学过的常识。可是真正的“一秒钟”到底是什么？或许你还真答不上来：“一秒”指的是，铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间。

读起来确实有点令人头大。为什么要用这样复杂的方式定义时间呢？让我们先从“跃迁”说起。

根据量子力学，原子内部电子的运动能量只能在某些分立的能级，当电子从一个能级“跳跃”到另一个能级时，这种行为就叫做“跃迁”。当电子跃迁时，它以光的形式辐射或吸收固定的能量。（相关信息可以参考往期文章：《电子集体“跳水”，如何点亮世界？》）

电子跃迁示意图来源：中国计量科学研究院

它所辐射或吸收的光的频率，与这两个能级之间相差的能量有关。频率代表着电磁波在单位时间内振动的次数，而这对于特定的原子来说，都是固定的。因此，在原子里面，藏着自然界中最精准的“节拍”。

铯原子又有其得天独厚的优势——它位于元素周期表中最左边的一列，最外层只有一个电子，所以，它的模型计算起来更加方便。而且，铯在自然界中只有一种稳定存在的同位素：铯-133。由于同位素的不同会影响原子核，进而造成频率的微小偏差，而铯-133的单一性避免了这一问题。

铯-133的原子结构来源：维基百科

于是，铯成为了我们现代单位制中的“时间守护者”：在它所选定的这两个能级之间跃迁所发出的电磁波，总共振动9,192,631,770次所需的时间，就是一秒钟。

最精确的“调音器”

那么，我们是通过(guò)什(shén)么(me)办(bàn)法(fǎ)，数(shù)出(chū)这(zhè)9,192,631,770次(cì)振(zhèn)动(dòng)，让(ràng)原(yuán)子(zi)变(biàn)成(chéng)真(zhēn)正(zhèng)的(de)时(shí)间(jiān)测(cè)量(liàng)工(gōng)具(jù)的(de)呢(ne)？

这(zhè)其(qí)中(zhōng)的(de)原(yuán)理(lǐ)，有(yǒu)点(diǎn)像(xiàng)给(gěi)乐(lè)器(qì)调(diào)音(yīn)：首(shǒu)先(xiān)我(wǒ)们(men)需要一个能够发出标准音高的调音器，接着，我们不断弹奏自己的乐器，并调节它的音高，直到调音器显示它与自己发出的声音相同。

在原子钟里，这个精确的调音器就是一些铯原子。而我们手中的乐器，就是射向铯原子的电磁波。当这束入射的电磁波频率过高或过低时，“调音器”铯原子将不能吸收能量，只有当它的频率刚好等于铯原子所需的频率，铯原子就会吸收能量，发生跃迁，就像调音器在提示我们“音调准了”。

这样，我们就获得了一束已知精确频率的电磁波。而原子钟内部还有一个复杂的电子计数器，可以接收这个极其精确的振动信号，并数出总共振动的次数。当计数达到9,192,631,770次时，所经过的时间，就是标准的“一秒钟”。

原子钟的工作原理简述图来源：科学网

这只是原子钟的简单原理，而更细节的实现上，还有许多不同的形式。其中，在国际上用于统一标定时间的，是一种叫做喷泉钟的原子钟。

世界各地的铯喷泉钟来源：国家授时中心

喷泉钟结构复杂，体积庞大，但是运行得也更为精准。所以，世界上正在运行的其它原子钟，都要定期与喷泉钟校对，来保持准确。当今最好的喷泉钟，每一亿年的误差不到一秒——如果我们从恐龙时代就开始运行这台时钟，直到现在，它也只积累了一秒的误差！

无处不在的“时间管家”

我们需要越来越精确的时间测量，并非仅仅出于科学上的追求。在现代生活中，越来越多的场合对时间测量精度都提出了更高的要求。

比如在文章开头提到的卫星导航，这应该是关于原子钟最著名的一个应用。

导航卫星工作时，不断向地球广播信号。这些信号中包含了卫星的精确位置和发出信号时的精确时间。地球上的接收器会接收到来自多颗卫星的信号，并测量这些信号到达接收器所需的时间，再换算成与这些卫星之间的距离。只要同时知道4颗卫星与你之(zhī)间(jiān)的(de)位(wèi)置(zhì)关系，就可以计算出你在地球上所在的位置。

卫星定位原理来源：motogokil

由于你与卫星之间的通信使(shǐ)用(yòng)的(de)是(shì)以(yǐ)光(guāng)速(sù)传(chuán)播(bō)的(de)电(diàn)磁(cí)波(bō)，而(ér)光(guāng)速(sù)是(shì)非(fēi)常(cháng)快(kuài)的(de)（大(dà)约(yuē)是(shì)30万(wàn)公(gōng)里(lǐ)/秒），如果时间测量的误差只有十亿分之一秒，也会带来将近30厘米的误差。因此，要达到准确的定位效果，卫星上必须搭载有原子钟用于计时。

除此之外，我们所使(shǐ)用(yòng)的互联网、移动网络中的数据传输，也要求网络中的所有设备进行精确的时间同步，来确保数据流的顺序性和传输的可靠性。否则，用户的网络连接将变得不稳定，出现卡顿、传输错误等各种问题。

电力系统的稳定运行也离不开高精度时间的支撑。电网中所有的关键设备都必须以极其精确同步的频率工作，即使是微小的时间或频率偏差，都可能对整个电网的稳定性造成严重影响：轻则导致局部停电，重则可能引发连锁反应，造成大规模的电力中断。

在金融交易领域，高精度时间也是不可或缺。尤其是在高频交易这种以毫秒甚至微秒级别完成交易指令的场景中，所有交易指令的时间戳都必须达到极致的精确和统一，这(zhè)不(bù)仅(jǐn)是(shì)确(què)保(bǎo)交(jiāo)易(yì)公(gōng)平(píng)性(xìng)的(de)基(jī)石(shí)，也(yě)是(shì)实(shí)现(xiàn)可(kě)审(shěn)计(jì)性(xìng)和(hé)有(yǒu)效(xiào)防(fáng)止(zhǐ)市(shì)场(chǎng)操(cāo)纵(zòng)的(de)关键。

高度依靠原子钟计时的应用领域来源：北京大学