原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

原子钟是通过特定原子的核外电子能级跃迁时所吸收和释放的电磁波频率振动周期来计量时间的。

由于原子核外电子的不同排布，不同能级轨道间的能量差不同，电子在不同能级轨道间跃迁所吸收和释放的电磁波频率也不同，但是同一种原子在同一能级轨道间跃迁产生的电磁波频率是固定的。因此，人们可以选择特定原子的一个超精细能级的细微能量差状态之间跃迁作为计量。这种超精细能级跃迁具有固定的振动周期，也就是说它的频率是固定的，这就是它的共振频率。

能级跃迁

当使之通过与其共振频率接近的振荡电磁场，原子就会吸收电磁场的能量，完成超精细能级的跃迁。振荡电磁场的振荡频率与原子共振频率越接近，就会有越多的原子产生跃迁，通过通过精密调整振荡电磁场的频率使之与原子共振频率完全相同，即可让所有原子完成跃迁，而此时产生该振荡电磁场的振荡器即可作为计数器，得到该原子的振动周期，也就是该原子的共振频率。而这个该原子的共振频率是固定的，也就可以作为时间计量的刻度。

频率

比如目前国际通用的铯原子钟所使用的铯同位素铯133的共振频率是9192631770Hz，也就是每秒振动9192631770次，所以铯原子钟就是以计数器记录振动9192631770次作为1秒。目前世界各国主要都是通过铯原子钟所得到的时间作为标准时间。

铯原子钟

而在实验室里，这个时间计量精度在不断刷新。比如2008年的锶原子钟，使用锶87，共振频率达到429228004229873Hz。到2021年，镱元素制造的镱原子钟被制造出来，每秒振动518万亿次，比之前的锶原子钟还要高，报道中声称精度达到宇宙诞生至今误差不超过1秒。。。。

锶原子钟

为什么更高的频率更高的振动周期能得到更精确的时间？其实原因很简单，就像你拿着一把毫米刻度的直尺跟一把厘米刻度的直尺去计量长度，哪个准？当你用这两把直尺测量到的一个物体长度得到的数值乘上一定数量后，两者的误差就会非常明显了。不断刷新精度的原子钟就是通过提高振动周期，让用来计量1秒的时间刻度更多，刻度越多计量自然就越精确。

原子钟是把本振源(激光器或者晶体振荡器)频率锁定到原子(近似无扰的原子或者离子)的参考跃迁谱线上,从而达到稳定频率输出的一种精密计时仪器。

根据原子物理学的基本原理，当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会释放电磁波。同一种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

衰变原理，原子钟中的计时原理是元素的衰变是按照周期性变化的。

通过接受北斗二代卫星信号自动校准，使授时手表显示的时间与标准时间保持精确同步，其时间精度在0.1秒之内。北斗授时手表内置独有的卫星信号接收模组，该表内置世界24个城市时间，随时接收各国不同时间，不受地域限制。高精度铯原子钟为基准，则授时的原理就是把铯原子钟的格林威治时间传给手表

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最准确的原子钟在美诞生
美国国家标准与技术局的科研小组日前宣布，他们成功地研制出一种新型光原子钟，其计算误差1亿年时间为1秒。这是迄今为止世界上最准确的时钟。
新型原子钟是一种光原子钟，其工作原理与微波原子钟所采用的基本原理相似，但不同的是新型原子钟利用的是可见光。由于光的频率比微波的高，所以能提供精度更高、更准确的计时。
科研小组负责人迪当斯博士说，目前最准确的原子钟是以铯原子的固有振动频率来调节的铯原子钟，它可以精确到计算1500万年时间误差仅为1秒，而光原子钟的准确度可能是目前铯原子钟的100至1000倍。科学家认为，新型光原子钟能使人们更精细地理解物质世界的时间，对基本物理常数作更精确地计量。由于准确计时对于高速数据传输、同步电视发送、银行转账结算、发送电子邮件、卫星轨道的精确控制、深太空导航以及航天器的对接等极为重要，新型光原子钟的应用将对上述领域产生重大影响。
在人类开发钟表技术的历程中，20世纪50年代出现的原子钟使计时达到“天文数字般”的准确。原子钟是根据原子固有振动而制成的，也就是精确测量出特定原子释放的微波频率。1967年，科学家采用铯原子钟技术以微波频率给“秒”作定义，即1秒钟等于“铯133原子两个基态能级的转换所经过的9，192，631，770个辐射周期”所需要的时间。
据该科研小组发表在《科学》杂志上的论文介绍，他们发明的光原子钟是以一个冷却的汞离子（去掉一个电子的汞原子）的光频为基础设计的，汞离子的光频传到一个激光振荡器上，这个振荡器的作用像传统时钟的钟摆产生“滴答”动作一样。所不同的是，新的光原子钟每秒产生的“滴答”次数是1．064×1024，次数如此之多，研究人员不得不用借助于高速激光与光缆，以便“数”出这些“滴答”次数以达到计时目的。（王俊鸣）