互动科普

精确度越来越高的时钟（目前已达几百万年内快慢不超过1秒），正在导致诸如相对论精确试验和更先进的导航系统等之进步。

即使我们之中行色匆匆的人，都感觉到现代时钟是走快了，但并没有人会抱怨它们的精确度。普通而价廉的石英表一星期内快慢约1秒，对每天日常生活来说是足够的了。甚至一只机械表能让我们按时去教堂，更为精确的用途，如同星际航天飞机的通讯或由卫星跟踪船舶和飞机就得有赖于一百万年快慢不大于1秒的原子钟。

为改进时钟或得到更精确的时钟似乎回旋余地不大，但是科学和技术方面的许多应用都要求最好的钟才能达到的精确度，并且有时候要求更高。如一些脉冲星（周期性爆炸发射电磁福射的星体）在某些方面较现有的时钟稳定。这类物体不可能精确定时，而相对论和其它 基本概念的精确试验却需要更精确的时钟。这一类时钟也许会成为现实。采用俘获和冷却原子和离子的新技术，有充分理由确信，这些钟的精确度能比现有时钟高1000倍。要是历史可供借鉴的话，这些未来的时钟可能被认为是固定和不变的东西。但在微观上则是动态的或变化着的。例如，昔日的日晷、滴漏和摆钟能足够准确地把一天分成小时、分和秒，但不足以检测出地球的自转和公转的变化。

时钟的精确度取决于一类周期性运动的规律性。有摆的落地座钟依赖于其摆的摆动振荡。其摆臂同称作擒纵机构的装置相连，带动一个齿轮的齿使之作单向运动，这个齿轮通常通过一组辅助齿轮，传动钟的指针。改进时钟的努力极大部分是寻求高度稳定的振荡系统。

频率标准的三个最重要的指标是稳定性、重现性和精确性。稳定性是衡量频率保持恒定程度的尺度，它取决于所考虑的时间间隔的长短。某个给定标准的频率之变化，从一秒到下一秒只是千亿分之一（10-11），但可以稍大，例如从一年到下一年就是百亿分之一（10-10）。重现性是涉及同样设计的各装置为产生同一值的能力。精确性是衡量时钟重现一个规定时间间隔（例如1秒）程度的尺度。

直到20世纪初期，最精确的钟是建立在摆运动的规律性的基础之上的，伽利略在观察振荡周期同振幅近似地无关乏后，指出了摆的这个特性。换言之，摆完成一个周期约需同样的时间，而同每次摆动大小无关。摆钟只是在17世纪中叶当时荷兰的科学家Christiaan Huygens发明了擒纵机构以保持摆的摆动之后，才成为可能。随后，天文钟利用了装在发条上的平衡轮的振荡。这些装置都具有便携式的优点。

为改进摆和平衡轮钟的精确性，投入了巨大的创造性工作。钟表制造厂使用具有不同热膨胀率的复合材料以补偿温度变化。在20世纪20年代，一种较为先进的方法得到了采用，当时英国工程师Willian H.Shortt设计了一个从动摆同自由摆同步的钟。自由摆在低压环境 下振荡，不操作任何钟的机构，而是操作一个电开关，以帮助保持从动摆的同步化。结果，这个肖特钟的周期极其稳定。这些钟一年之中的误差约几秒，约为千万分之一（10-7），并用作为实验室的时间标准。

在计时方面的下一个主要进展是开发石英晶体电子振荡器。这类器件的频率取决于精心切取的石英晶体的弹性振动周期，电气上维持这个振动是利用了此类晶体的被称作压电的特性，即晶体的机械应变会产生一个低电压；相反，施加一个电压便会产生一个小应变。

石英振动频率取决于晶体的形状和尺寸。在一些手表中，晶体切割成长几毫米的音叉形状，在另一些时钟里，则切割成平的薄片。石英晶体连接到产生交流电流的电路内，由石英产生的电反馈使得电路的频率同晶体自然振动（通常是32.768赫)频率相一致。由电路产生的交流电流到分频器（这是—个在输入固定数量的脉冲后产生一个输出脉冲的数字电子器件)上。同时这个分频器或者激发一个机械显示器，或者激发一个数字电子显示器。

在20世纪20年代后期，当时在贝尔实验室工作的Joseph W. Horton 和 Warren A. Marrison 制成第一个使用石英晶体振荡器的钟。到20世纪40年代，石英晶体钟取代了肖特摆钟而作为主要的实验室标准。这些钟的稳定性每天约为0.1毫秒（约十亿分之一，即10-9）。价格比较便宜的石英钟继续得到广泛使用。普通石英表和石英钟的计时元件是石英频率标准的简化和小型化。在将石英可靠地切割成薄的音叉形状并制成小型低功率数字电子部件的能力之后，石英手表就变得极为平常了。

可是，石英晶体钟对许多科学研究例如相对论试验来说证明是不够精确的。根据艾伯待·爱因斯坦的计算，重力既使空间变形也使时间变形。重力势能差引起在空间的时间过程比地面要快。差别是微小的。埃佛尔斯峰山顶同海平面相比，每年时间要约快三千万分之一秒。只有原子频率标准才具有这种必要的精确度。

在原子和分子中量子能级是提供原子频率标准的物理基础。量子力学定律确定，结合系统的能量（如一个原子)具有某种不连续的量值。电磁场可使一个原子从一个能级升到另一个较高的能级。这一过程同样可以反方向进行。如原子在一个高能级上，它可以通过发射电磁能量而降到较诋的能级。

在一定的频率——谐振频率 (亦即两能级之差除以普朗克常数）下发射或吸收的能量最大，有时候把这个频率叫做波尔频率。这些频率因为极其稳定，所以可制成理想的时间标准。通过观察这些频率上原子发射或吸收的电磁能就能实现准确计时。实质上，原子用作主动摆，其振荡次数即标志着历经的时间。

虽然我们已经介绍了一般的量子特性，但原子钟中所发生的效应却稍为复杂些。在大多数原子钟内，原子吸收或释放的能量实际上由所谓超精细能级之间的跃迁引起。这些超精细能级是因为粒子被称为磁矩的本征特性而存在的，电子和大多数原子核绕其轴而旋转，好象陀螺似的。此外，它的被磁化象罗盘的指钟那样顺着其旋转轴取向。这些轴互相各有不同的取向，并且取向的能量也不同。这些位置与超精细能级相一致。这一术语的诞生是因为这些能级首先作为光谱学中谱线的细小分裂而被观察到的。

在理论上，以原子过程作为基础的时间标准是理想的标准，在实践上，要做成功却是令人困感的。原子恰好在谐振频率上不吸收或不发射能量，一些能量散布在围绕这个频率的小区间内，可以说是一个频率模糊区。在其它情况相同的条件下，谐振频率测量的精度同这个模糊区成反比。分散得越大，测量的精度越低。分散的程度常用品质因数Q来表示，它等于谐振频率除以频率分散区。在很多场合下，谐振频率越髙，Q就越大。此外，模糊区通常 同原子在器件中的时间成反比。在这些情况下，谐振的Q值和由此而测量的精度，将随测量时间的增加而増加。

原子运动由于发生谐振频率的明显偏移而引起不定性。这类变化是因为多普勒效应而发生的。要是原子运动比光速慢得多的话，这类现象可以分成第一阶偏移和第二阶偏移。第一阶多普勒偏移从运动着的原子来看是外加电磁波频率的明显变化，偏移的大小正比于原子的 速度。如原子运动的方向与电磁波的相同，则向较低的频率偏移。如原子运动的方向与电磁波的相反，则向较高的频率偏移。要是方向相互垂直，则第一阶偏移为零。

第二阶多普勒偏移是由于时间扩展的结果。按照相对论，对运动的物体来说时间减慢了；运动着的原子所“看见”的频率要比静止不动的原子所“看见”的稍有差别。它对谐振频率的影响通常比第一阶偏移小得多。第二阶偏移同原子速度平方成正比，并且同原子运动和电磁波的相对方向无关。

影响信息质量的还有其它一些因素。在该系统中原子可能相互碰撞，撞击给信号带来了额外的噪音。周围环境也能扰乱谐振频率。电子设备的缺陷、杂散的电磁场以及总是存在的热辐射均会带来误差。因此，一个良好的原子频率标准不仅必须建立稳定的周期性信号，而且必须把这些可能的误差减到最小值。

为避开上述诸多困难，最早而今天还广泛使用着的方法之一叫做原子束谐振法，是20世纪30年代哥伦比亚大学I.I.Rabi及其同事们首创的。原子从一个小室中射出，经过窄孔，然后以原子束的形式行进。整个仪器可以屏蔽起来，防受杂散电磁场的影响，并与外界热源隔绝，或许更重要的是因为整个器件放在一个长的真空室内，所以原子的碰撞真正得以消除。室内的压力如此低，使得电子在抵达另一端之前不大可能碰到任何东西。

简单说来，原子束谐振包括三步。第一步是只选择适当能级的原子，此种选择是由特殊形状的磁场来实现的，其作用有如一个过滤器。 借助使原子束弯曲的方法可使某一能级的原子通过，而不让所有其它能级的原子通过。只有在正确能级上的原子弯曲得合适，才能达 到和通过窄孔，进入室腔。

第二步是有决定意义的一步， 即把选出的原子送入另一个能级。 这一任务是靠使原子通过腔内振荡微波场实现的，只有在外加的振荡微波频率同其波尔频率一致时才能把原子送入另一个能级。

第三步是测出已经改变了能级的那些原子。在这方面，原子束通过另一个磁场过滤器，只让正确能级的原子击中检测器，从而把原子以电流记录下来。如外加振荡微波的频率同其自然頻率精确一致，则这类原子将大量存在。如外加微波场的频率偏离这一要求，则只有少量原子改变其能级，因而亦只有少量会击中检测器。因此，人们知道要是击中检测器的原子数最大，则外加微波同原子的自然频率相一致，由被称作伺服回路的电子反馈机构保持这个值恒定不变。如发现检测器的电流下降，则改变外加磁场的频率直到电流再次达到最大值止。

通过将检测器电流保持于最大值，伺服回路就能将外加微波场的频率保持在原子的自然频率上。为测量时间，人们把外加磁场同产生定时脉冲的分频器耦联起来。与之对比，原子相当于手表中的石英晶体，或者相当于肖特钟的主动摆。外加微波场是振荡电路或从动摆，从而真正驱动钟表机构运动。

原子束标准存在着微小的误差。例如在一些器件中，经受能级变化的原子脱漏而未能击中检测器。可是，精确度方面的差异不大。不过，所有各种形式原子束标准在某种程度上却表明在尺寸、价格和复杂性方面有所比较。

原子束标准在1949年发生了一项较重要的改进，那就是本文作者之一（Ramsey）发明了所谓的分离振荡场方法。这个方法不是同单一外加磁场，而是依赖于沿原子束通路分隔一定距离的两个磁场向原子发送能量。分两步施加振荡磁场有许多优点，如谐振宽度变窄和第一阶多普勒偏移消除。麻省理工学院的Jerrold R.Zacharias和英国特丁顿国家物理实验室的Louis Essen与 John V.L.Parry在20世纪50年代中期将这个方法应用于频率标准。

目前，分离振荡场方法装备了极大部分复验性时钟。最好的时钟安置在少数几个国家实验室里，虽然市面上可能得到的还较少而且准确度也较低。时钟采用铯要比用其它元素更具优点，它的谐振频率较高（约9，192兆赫）而振幅小，因而Q值高。同时铯的检测不但容易而且有效，所需要的只是一根热金属丝。当铯原子击中热丝时，便发生电离并变成可检测的电流。

这些频率标准的Q值约为108，超过石英表的Q值几千倍。最大的重现性约百万亿分之一（10-14）。最好的铯频率标准比地球的自转和公转速度有高得多的重现性，以致在1967年秒被定义为铯133原子谐振频率的9，192，631，770周期。

在铯原子束标准中最有希望的改进之一是使用选择原子能态的光泵。自20世纪50年代开始，由麻省理工学院的Francis Bitter，法国高级师范学校的Alfred Kastler和Team Brossel以及其它一些人开发了光泵技术。在这个方法中，用光而不用磁场选出所需能态的原子。在原子经受微波场之前，采用由激光器产生的射线将原子自一个能级推动（或泵送）到另一个级。事实上，人们可通过调谐光的頻率控制各能级中的原子数。

原子经受微波场辐照之后，通过第二个光束，只有占有正确能级的原子才吸收这种光，并迅速重新把它们发射出来。由光敏检测器记录重新发射的光量，并转换成可测电流。如同取决于磁选的原子束谐振一样，如检测器电流为最大，人们即可知道外加微波与原子自然频率达到一致。

使用光而不是磁铁具有许多优点。或许最重要的是，使用适当的光泵技术，原子束中的所有原子都能进入所需的能级。磁选只是滤除那些处于其它能级的原子。因而，由光泵产生的信号强度比由磁选产生的要高得多。在不同实验室工作的研究人员正在开发光泵铯原子束钟。在科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所，最近已采用了这样一个钟作为基本频率标准（美国命名为NIST--7），其期望误差约百万年1秒，使得它比原来的那些标准要稳定许多倍。

有一种市售光泵原子钟，是基于6,835兆赫铷87的超精细谐振。铷原子不是作为原子束行经一个装置，而是被装在一个玻璃盒内。这个盒也正装有混合气以防铷原子与盒壁碰撞。用含有铷蒸汽的放电灯而不是用激光器照射原子，再由盒子反面的光电传感器检测原子吸收光量的变化。因此，只要在一个玻璃盒中准备好原子，外加上微波并测出光量，结果制得的铷钟可装入每边约10厘米的立方体中。而铯原子束钟却可从约50厘米扩伸到大于5米。铷钟也比铯钟价格便宜许多。

缺点是铷钟通常精确度较差，重现性欠佳。铷频率标准的Q值约为107，比铯束品质因数低10倍。其重现性约为百亿分之一（10-10）。谐振频率的偏移大多会使重现性变差，铷原子同其它气体分子的经常碰撞引起了这种偏移。但铷频率标准的短期稳定性很好，事实上比一些铯原子束的要好。

因此，所述的原子钟以更为间接的，即通过检测某些信号变化的方式进行工作，例如测量击中检测器的原子数，以及外加振荡场偏移的频率。使用原子受激辐射的一种方法，更直接地是依赖于脉泽原理（受激辐射微波放大器的简写）。1953年，哥伦比亚的Charles H.Townes及其助手们发明了第一台基于氨的脉泽。1960年开始，现在在麻省理工学院的Ramsey和Daniel Kleppner，当时在哈佛大学的H.Mark Goldenberg和现在Harvard-Smithsonian天体物理中心的Robert F.C.Vessot开发了原子氢脉泽，这是已广泛用于原子钟的唯一的形式。

在这个时钟里，射频放电首次将保存在高压瓶中的氢分子分裂成其构成的原子。原子从瓶内开的小孔中射出，形成原子束。在较高能级的那些原子经磁场聚焦，进入四周有调谐谐振腔包围的经特别涂装的贮存球泡里。

在贮存球泡中，这些原子的一些将落入较低的能级，释放出微波频率的光子。这些光子将激发其它原子落入较低能级，随之释放出更多的微波光子。这样一来，在球泡内就建立起自持微波场，因而得名“脉泽”。环绕球泡的调谐谐振腔帮助光子重新返回球泡以维持受激辐射过程。脉泽振荡一直持续到氢喂入系统为止。

腔内的导线环能检测出振荡。微波场在导线内产生感应电流，从腔内引出并加到一系列电路上。电路将这种感应电流变换成适合产生定时脉冲的频率较低的信号。

氢脉泽的谐振頻率约1,420兆赫，较铯的谐振频率低得多。但由于氢原子在球泡内滞留的时间长于铯原子在原子束中存在的时间，所以脉泽的谐振宽度非常窄。因此，氢脉泽标准的Q值约为109，超过铯原子钟的Q值一个数量级。此外，氢脉泽具有任何频率标准的最大稳定性，大于千万亿分之一（10-15）。

遗憾的是，脉泽的优点只能持续几天，在这以后，它的性能下降到低于铯原子束的性能，稳定性由于谐振腔谐振频率的变化而下降。原子和球泡之间的碰撞使频率约偏移千亿分之一（10-11）。

解决这一问题的一种方法是使氢脉泽在较低的温度下工作。这个条件使之能贮存较多的原子（因而导致强信号）和降低电子噪音。在球泡内涂装超流动性液氦也可以提高性能。这种涂装物质的作用如同氢原子与之相撞后能很好弹跳的一个表面。目前改进脉泽稳定性所采取的其它方法是：更高效的磁铁、较好的涂装物质和保持谐振腔谐振对准原子谐振中心的伺服回路技术。

虽然铯原子频率标准是我们具有的最精确的长期标准，但是有几项技术成就已表明，甚至可能制成更精确的时钟。最有希望的一种技术是取决于俘获的带电离子的谐振频率。俘获离子能悬浮于真空内，以使得它们几乎同扰动影响完全隔绝。离子本身也因为它们带有同样 的电荷相互各相分离。因此它们不会遭到同其它粒子的碰撞或同室壁的碰撞。离子可被长期俘获，有时候可被俘获几天。

采用了两种不同形式的俘获器。在Penning俘获器中，使用不均匀静电场同均匀静磁场的组合来约束离子。在射频俘获器（常称作Paul俘获器）中，由不均匀振荡电场来负担这一任务。每种俘获器都有其自己特有的不足之处。Penning俘获器的强磁场会改变谐振频率， Paul俘获器的电场会产生热效应，从而引起多普勒偏移。选择浮获器的类型取决于其对特定试验装置的适用性。

加州帕萨迪纳Howiott Packard喷气推进实验室或其他实验室的研究人员已经使用Paul俘获器制成了实验性频率标准装置。俘获的粒子是汞199离子。选择这种离子是因为它具有适用俘获技术的一切原子的最高超精细频率（40.5千兆赫）。几百万这类离子被俘获在电极产生的电场之间，然后离子由灯产生的紫外辐射进行光学泵送。随后相似光泵频率标准一样工作，但俘获离子频率标准的最大的Q值大于1012。这个数值比当前的铯原子束钟要大1万倍。它们的短期稳定性虽然还不能达到氢脉泽的稳定性，但也是极好的了。第二阶多普勒偏移限制了重现性，约为十万亿分之一（10-13）。

采用激光器冷却可以大大减小多普勒偏移。1975年，现在国家标准和技术研究所的Darid I.Wineland，华盛顿大学的Hans G.Dehmelt，现在慕尼黑大学的Theodor W.Hansch以及斯坦福大学的Arthur L.Schawlow首先提出了这项技术。实质上，激光器光束是被用来减小离子的速度的。对着激光器光束的粒子，吸收某些激光光子动量矩。结果使粒子减速。为补偿粒子对着激光器运动时的多普勒偏移，人们把光束调谐到稍低于由强允许谐振跃迁所产生的频率上。

许多实验室开发了以俘获器中激光冷却的离子为基础的频率标准。基于Penning俘获器中用激光冷却的铍9离子，已建成了一个频率标准。它的重现性约为十万亿分之一受限于离子间中性分子的碰撞。提高真空度将显著増加重现性，因为第二阶多普勒偏移的不定性仅约为千万亿分之五（5´10-15）。

在过去的几年中，在俘获和冷却中性原子方面有了惊人的发展，冷却离子比俘获离子的困难更大些。由于沿三个相互垂直的通路采用三对相对方向的激光冷却光束，取得了有效的激光冷却。于是，一个运动着的原子不管它什么运动方向都会减速下来。这一效应起到了被称为“光学糖浆”的作用。 其中包括马里兰州盖瑟斯堡国家标准和技术研究所的William D. Phillips，法国髙级师范学校的Clande Cohen-Tannoudji和Jeam Dalibard以及斯坦福大学的 Stevenchu（参见Steven Chu：“用激光俘获中性粒子”，《科学》，1992年6月号）等一些研究人员已在这方面取得了突破性进展。

因为带电的离子由于相互排斥要保持一定距离，所以中性原子俘获器较离子俘获器能贮存原子的密度要髙。在其它各方面都相同的情况下，原子数较多则导致较高的信嗓比。

中性原子用作频率标准的主要障碍是，原子在俘获器中的谐振受到激光场的强烈影响。被称作原子喷泉的装置克服了这一困难。俘获器俘获并冷却一原子试样，然后将其升高使之进入无激光区，随后在重力影响下，这些原子回落。原子在向上和再次向下的路程中通过一个振荡场。这样一来，象它们在分离振荡场原子束装置中那样，产生了谐振跃迁。

这种装置因为两次通过而使时间延长，其Q值就比原子束的装置要高。斯坦福大学的Chu及其同事，巴黎原始时间和频率实验室的Andre Clairon与（法）高级师范学校的Christophe Salomon以及他们的合作者，已进行了原子喷泉的实验。

目前大量的研究是针对俘获器中激光冷却离子进行的，它们谐振于光学范围内，频率达到几万亿赫。这类频率标准为精确的时钟提供了有前途的基础，因为其Q值很高。在国家标准和技术研究所的研究人员已测量了单个激光冷却俘获离子的紫外光谐振时的Q值，等于1013。这个值是在光学或微波原子谐振中从未有过的最高Q值。然而由于技术上的困难，直到目前为止制成的光学频率钟还没有一台工作于这一扩大的范围内。

今天存在的各类高性能频率标准似乎不需要甚至性能更好的有前途的器件。最后，目前的原子钟已精确到由它们来重新定义某些基本单位。如前所述，秒现在是以铯原子谐振频率为基础的。同样通过国际协议，米定义为光在一秒内行进1/299，792，48的距离。电压单位由同超导电路中所谓约瑟夫逊结电压有关的特征频率来保持。

然而，有些应用给现代时钟的能力增加了重负。射电天文学就是很好的一例。天文学家常常使由几台相隔几千公里的望远镜来研究恒星目标一一这是一种使分辨率得以惊人地增加的技术（见Anthony C.S.Redhead：“使用甚长基线干涉测量的射电天文学”，《科学》，1982年10月号）。间隔一万公里的两台射电望远镜具有有效角分辨率比每台单独望远镜要大一百万倍。但为了适当组合每台望远镜所得的数据，研究人员需要精确知道每台望远镜是什么时候接收到的信号。今天氢脉泽具有这类天文观察所需要的稳定性，而卫星射电望镜则要求更稳定的时钟。

高稳定性时钟对相对性的良好试验是极重要的。毫秒脉冲星的定时测量（其中—些与最好的原子钟同样稳定）提供了重力波的证据。197S年普林斯顿大学的Joseph Htaylor.Jr.及其助手们发现双脉冲星系的周期已缓慢变化，预计改变的量正如广义相对论所预测的恰等于重力辐射的能量损失。测量许多年后，则可获得较高的精确度，因此具有较好长期稳定性的时钟将是很有用的。

在其它的相对论试验中，Harvard-Smithsonian天体物理中心的Vessot及其同事证实在高的高度时预测钟的速率增加，他们用火箭运载一个氢脉泽到一万公里高度测得很小的相对时钟偏移，精确度在0.007%之内。在该中心的Irwin I.Shapiro也利用高稳定性钟来观察通过太阳附近的光信号的相对延迟。

超精确的计时有更实际的应用，对导航来说也是最值得注意的。“旅行者2号”当它从海王星附近飞过时的位置，由三台远隔雷达望远镜中各台与它的距离来确定。每个距离都是依次根据八小时（被认为是光从每台望远镜行进到宇宙飞船并返回的时间）的精确测量而获得。

当然，在地球上导航也是很重要的。精确时钟的最新一项应用是基于卫星的总集合体，被叫做全球定位系统（或GPS）。这个系统依赖在轨道卫星上所载的原子钟，使任何人通过适当的无线电接收机和计算机确定他或她的位置约10米和准确时间优于10-7秒。监视同一个卫星的两个观察者可能将他们的时钟同步在几毫微秒内。

可以预期全球定位系统将具有广泛的实际应用，如船舶、飞机甚至私人汽车位置的准确定位。全球定位系统在1991年海湾战争中已用来确定军队在沙漠中的位置。市售接收机低于1千美元就能购得，不过这些民用产品被限于约100米的精确度（因为由卫星发射的信号的故意保密）。全面配套24个卫星将会有24小时的全世界范围的覆盖面，这个系统几乎是无可指责的。

这些和其它的一些用途表明了时间和频率标准的重要性。事先改进标准将增加现有应用的有效性，同时开辟了新功能之路，只有时间才会告诉这将是些什么样的用途。

〔董 淳译 赵裕卿校〕

文中注释：

* 哈佛大学哲学博士，科罗拉多州博尔德国家标准和技术研究所时间和频率研究室的物理学家。

** 哈佛大学物理学教授，哥伦比亚大学哲学博士。1989年由于他在分离振荡方法和原子氢脉泽方面的研究成就获诺贝尔物理学奖。

图1俘获的汞离子。分隔约10微米，受紫外光照射发出荧光（照片）。离子受到电极产生的振荡电场的约束（剖面图）。静电位（未示出）阻止了离子通过俘获器两端逃逸。一串俘获离子可引向比一般原子钟要稳定的新定时装置。

图2 这个20年代的肖特钟的主动摆在真空罩内振摆。它激发一个电开关使之与驱动时钟机构的从动摆同步。

图4 原子氢脉泽用作频率标准取决于自持微波场。在正确能级的氢原子经磁铁偏转进入贮存球泡，一些原子将落入较低能级，释放微波光子。光子激励其它原子落入较低能级，从而产生更多光子。这一过程很快在泡内建立起一个微波场。这个微波场在位于谐振腔内的导线中感应出交流电流。调谐谐振腔有助于将光子再次导入球泡内以维持过程的进行。

图5原子束频率标准可供最精确长时期计时。普通的原子钟有赖于磁铁（a）。正确能级的原子由磁铁A 偏转后通过微波谐振腔。振荡于原子谐振頻率的微波场推动一些原子进入第二能级。这些原子借磁铁B偏转以便击中检测器。伺服机构监视检测器并保持外加微波频率于谐振频率上。为了计时，一些微波被引到一个装置上，把频率分成有用的定时脉冲。激光器A将原子泵入合适的能级，准备受微波的激励。只有用微波使位于正确能级的原子才吸收激光器B发出的光，并重新发射出所吸引的能量，由光电检测器测出，由美国国家标准和技术研究所研制的铯原子光泵钟叫NIST—7，目前用作美国的计时标准（照片）。

图6 原子喷泉使用已由6个激光束冷却和俘获的原子（1）。然后垂直束暂时把向上的速度传给原子，原子升高，通过微波谐振腔而向上（2）和再次向下（3），此过程的其余部分同光泵原子束标准相似：原子通过另一个激光束（4），其荧光由光电检测器记录（5）。伺服回路和分频器（未示出）产生定时脉冲。

谐振频率

原子频率标准取决于原子或分子内能的量子化。一对如图中所示的能级E1和E2是同原 子谐振相关联的。吸收或发射电磁辐射的谐振頻率f=(E2-E1)/h(这里h一一普朗克常数)。然而，辐射并不是在精确的f上而是散布在靠近f的一个叫做Df的区域内。可被测出f的精确度，正比于品质因数Q=f/Df。Q值越高，时祌就越稳定。

协调的记时制

在本文中，我们讨论了时间间隔，例如秒或分的测量。这一过程仅需要有一个良好的钟。但要说明的是，在一个特定时间例如1993年7月5日下午12：31之后22秒所发生的事件，要求与钟同步，也就是要通过互相协议的标准。世界标准钟理论上是作为世界最佳钟平均值而存在的。由法国国际重量和度量服务局负责协调国际时间。这个已协调的记时制叫做国际原子时间（即TAI）。

许多用户要求一种同地球自转合拍的记时法，也就是按年平均计，太阳应在英国格林威治中午达到其最髙点。用看得见太阳的位置来确定一天，是不规则的，但按平均计，长于国际原子时间规定的24小时，为了进行补偿，采用由国际质子时间间或增减整数秒的办法规定了另一种叫做协调通用时间（即UTC）的记时法。这些秒（即闰秒）通常在12月31日或6月30日加进或减去，以保持协调通用时间在地球自转所确定的0.9秒范围内。为确定两个规定时间之间的正确间隔，必须考虑记录闰秒。