原子钟，人类所掌握的最准确的时钟，它究竟是如何产生的？又是如何准确到2000万年相差一秒？它与“北斗卫星”又存在什么关联？让我们走进今天的主题：原子钟。

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大家好，我是大牛。“一秒钟”有多长，你可以说是眨一下眼的时间，也可以说是手表上秒针跳动一下的时间，但是大牛告诉你，这些都不对，换句话说这些都不准确。为什么这么说呢？就拿手表为例，优等品质的手表，24小时的误差值在负30秒到正45秒之间，合格品质的手表，24小时的误差值在负60秒到正105秒之间。又有人会说，我们现在看到都是手机上的网络时间，那么大牛告诉你，就连网络时间，在时间数据的传输过程中，也存在微秒的误差，在不连接网络的情况下，根据设备的不同，24小时的误差在30秒以内也很正常，而这就是我们生活中接触到的时间。

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原子钟的出现

说到时间，从古至今人类都没有放弃对计时工具的研究，最早的计时工具是古人根据太阳的东升西落，通过太阳的照射设计出日晷来计时，而这也是人类使用最久的计时工具。后来人们陆陆续续发明了用水滴来计时的水钟，以及用沙子来计时的沙漏等等，但是这些计时工具并不准确，误差很大，而且使用起来很复杂，也不方便携带。

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直到近代，随着科技的进步，人类才发明出更为准确的石英钟。石英钟用到的石英晶体，有一种非常特殊的性质，就是在它的两侧交替导入正负电流，就会产生每秒钟32768次震动，然后通过除频装置与动力装置的配合，让连接石英晶体的指针每一秒钟移动一次，这样就可以得到一个石英钟表。但是，即使是石英钟表，也因为石英晶体本身的品质不稳定，在计时上出现误差，以英国格林尼治天文台使用的石英钟为例，每天会有千分之一秒的误差。这样的误差看似不起眼，对于平常人而言无关紧要，但是对于科学研究而言毫秒之差就会有着致命的影响。

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后来，随着量子力学的发展，美国科学家在研究中发现，对于同一种元素而言，它的电子跃迁率是不会改变的，不光适用于地球，在整个宇宙范围内这都是一个固定值。那什么是电子跃迁率呢？我们都知道，原子由原子核和核外电子组成，而核外电子始终围绕着原子核在相应的轨道运行，又因为核外电子携带的能量有所不同，所以核外电子的运行轨道也不同，于是科学家们将这些轨道称之为能级。

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当电子想要从低能级跃迁到高能级时，就需要吸收电磁波，反之从高能级回到低能级，就会发射电磁波，而这其中产生的电磁波频率，就是一个固定值。因此，在1967年，国际计量大会重新规定了“一秒钟”，它就是“铯-133”原子基态的两个超精细能级间，跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，而这种利用原子稳定能级之间跃迁的计时方式，就被称之为：原子钟。

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原子钟的应用

随着原子钟被发明出来，它究竟又有着怎样的应用呢？高精度计时有那么重要吗？首先，更加精准和统一的计时工具，对于科学家们的科学研究和计算有着极大的助力。就以北斗卫星为例，它的心脏就是一个原子钟，由于导航的定位是通过测量卫星与用户、基站的距离，进而推导出精确的位置，这个距离是通过电磁波的传播时间与光速的关系来确定的，所以，只有确定电磁波从用户传到卫星的时间差，就可以推导出两者之间的距离，再加上光的传播速度非常快，所以一旦时间差不够精准，就会出现失之毫厘谬以千里的情况，这就要求计量时间的设备精度要非常高，而原子钟就是这类设备的最佳选择。

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其次，原子钟还是科学家们研究宇宙天体和地形地貌的新型探索工具，根据相对论的说法，时间并不是绝对均匀的流逝，而是会受到引力的影响发生细微的改变，所以，利用超精密的原子钟就能够探测到引力场之间的微小差异，从而实现研究宇宙天体变化引发的引力波现象。而且，科学家们还可以通过原子钟，来测量山底到山峰的距离等等。这样重要的设备，在2007年以前，只有德国、美国和法国可以制作，而中国之所以在2007年研制出原子钟，背后还有一段不为人知特殊较量，而这场较量，差点就让中国的北斗卫星夭折，而这又是因为什么原因呢？

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中国原子钟与北斗卫星的隐秘

当时，中国的北斗导航与欧洲的伽利略导航正在进行频段资源的争夺，结果在关键时刻，导航卫星最核心的设备原子钟被故意拖延交付，差点让北斗导航失去了珍贵的频段资源，让中国不得已自主研制原子钟。听到这段话，大家一定会疑惑，什么是频段资源？频段资源为什么要争夺？为什么中国北斗导航与欧洲伽利略导航的关系并不融洽？

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在2000年的时候，欧洲空间局邀请众多国家一起建设伽利略导航系统，由于当时中国也刚刚组建完北斗一号，在导航卫星领域有一定的技术积累，所以也在被邀请的行列。中国考虑再三，由于在资金、技术方面，中国还有很多欠缺，于是最终选择加入伽利略计划，成为第一个非欧盟成员国。但是，中国诚心拿着3亿欧元加入伽利略计划，遭受的却是各种不公平待遇，不光核心技术将中国排除在外，就连话语权也是没有多少。这不得不让人明白，科技是买不来的，还是要靠自己。

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在2006年，中国重启北斗二号项目，开始自主研制中国的卫星导航系统，此时就面临着和欧空局伽利略争夺频段资源的问题。关于频段资源，就是指卫星使用的频率和卫星所处的空间轨道位置，因为电磁波在太空与地面之间进行传播的过程中会发生损耗，而不同的频段损耗也不尽相同，就目前而言，黄金频段几乎被美俄所占用，只留下1/4左右的频段可以选择。而且任何国家使用频段，都必须向国际电联申请，得到允许后才能使用，还必须是在七年内的有效期内成功发射导航卫星，如果没有在规定时间内就必须重新申请，根据国际电联先占先得的原则，这种优质的频段有可能发生被截胡的危险。

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中国早在2000年4月17日，就向电联提交了频率申请，所以在2007年4月17日前，如果没有实际在轨卫星申请就会失效，因此北斗卫星必须在2007年4月17日前成功完成在轨运行任务。2004年，中国在北斗导航的项目就进入了加速攻坚阶段，但此时却发生了意想不到的事情，原先我们一直进口欧洲的原子钟，在这个时候巧妙地掉了链子，需要18个月时间才能到货。时间紧急，无法进口原子钟成了当时面临的最大困难。

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此时，在中欧争夺频段的最关键时刻，唯独最重要的原子钟恰巧原延迟到货，究其原因已经不言而喻。但是，反转就是来得如此突然，中国仅仅用了几个月的时间，就成功研制出属于中国自己的原子钟，震惊全世界。并于2007年4月17日，频段失效的前三四个小时，中国的北斗导航卫星实现了正常运行，成功拿下了为数不多的黄金频段。

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中国之所以能在短短几个月的时间，就完成原子钟的制作，并不是因为原子钟制作起来又多么简单，而是因为中国在很久以前，就有先见之明，早早地就开始了原子钟的研究，这才有关键时刻的漂亮反击。更是在2010年，中国推出了NIM5铯原子喷泉钟，将中国时间频率基准的准确度提高到两千万年不差一秒。所以，真正的大国科技，总会在关键时刻展示出属于自己的锋芒。

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好了，本期文章就是这样，不知道各位对原子钟是否有了初步的认识？你觉得中国反击打的漂亮吗？欢迎给牛总评论留言，记得关注牛总。

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