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黄秉英 著

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• 原子钟
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• 钟表
• 量子技术

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出版社： 武汉大学出版社

ISBN：9787307052499

商品编码：1350675111

包装：平装

出版时间：2006-09-30

基本信息

书名：新一代原子钟

原价：12.00元

作者：黄秉英

出版社：武汉大学出版社

出版日期：2006-09-30

ISBN：9787307052499

字数：

页码：120

版次：1

装帧：平装

开本：32开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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原子钟集物理学与电子学之大成，极大地促进了导航、信息传播技术和当代科学技术的发展。本书在概述原子钟的基础上，着重在技术和方法层面上介绍新一代原子钟及其应用，图文并茂，深入浅出。它是从事原子钟研究和应用的指导参考书，可用作高校相关专业（物理、电子、信息技术与测量）的教学参考书。也是一扇了解和了望当今高新技术发展的科技之窗。

目录

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导论
第1章 传统型原子钟
1．1铷原子钟
1．1．1铷汽泡型
1．1．2铷激射器
1．2 氢原子钟
1．2．1主动型氢激射器
1．2．2被动型氢激射器
1．3铯原子钟
1．3．1磁选态型
1．3．2光选态型
1．3．3铯原子柬频率基准
1．4传统型原子钟的性能及其限制
1．4．1主要特性
1．4．2性能限制
第2章 新一代原子钟
2．1冷原子喷泉钟
2．1．1工作原理
2．1．2关键技术
2．1．3原子喷泉钟回落信号原子数损失的估计
2．1．4冷原子喷泉钟的领先水平
2．2空间基准钟与汽泡型冷原子钟
2．2．1空间基准钟
2．2．2汽泡型冷原子钟
2．3 CPT钟
2．3．1 CPT现象
2．3．2 CPT钟工作原理
2．3．3 CPT钟的前景
2．4光钟
2．4．1光梳
2．4．2光钟的基本组成
2．4．3激光频率标准
第3章 我国第一台冷原子钟
3．1结构与特点
3．1．1装置的基本组成
3．1。2冷原子喷泉的设计与配置
3．1．3激光-光学系统
3．1．4电子测控系统
3．2关键部件及其性能
3．2．1磁光阱
3．2．2 C场及其磁屏蔽组件
3．2．3微波谐振腔
3．2．4荧光收集器
3．2．5主、从激光器
3．2．6声光调制器（AOM）
3．2．7 PC机控制系统
3．3飞行时间信号
3．3．1基本估算公式
3．3．2 TOF信号测量
3．4主要性能指标
3．4．1主要性能
3．4．2不确定度评估
第4章 原子钟的高端应用
4．1 原子钟在导航星和空间站的应用
4．1．1星载原子钟的改进与更新
4．1．2新一代空间频率基准
4．2用原子干涉仪测量重力加速度
4．2．1工作原理
4．2．2装置概要
4．2．3主要环节
4．2．4结果
4．3 2l世纪的时间频率计量
4．3．1计量科学的革新
4．3．2导航航天及信息业应用
4．3．3新一代原子钟和“天文钟”
附录：与原子钟的发明和改进相关的诺贝尔物理学奖
参考文献

作者介绍

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黄秉英，1961年毕业于武汉大学物理系，中国计量科学研究院研究员。长期从事原子钟研究，近十年来致力于冷原子钟研制，由他主持物理设计的铯原子喷泉，成为我国第一台冷原子钟。已出版著作《时间频率的精确测量》（1986）；《计量测试技术手册——第11卷时间频率（1996）。

文摘

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序言

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好的，这是一本关于新一代原子钟的图书简介，内容详实，力求自然流畅： --- 《新一代原子钟》图书简介 沉睡中的精确革命：探索时间测量的前沿疆界 时间，是宇宙最基本的尺度，也是人类文明进步的永恒标尺。从日晷的阴影到机械钟表的滴答声，我们对时间的测量精度不断突破人类想象的极限。然而，随着现代科技对时间同步需求的日益严苛——无论是全球定位系统（GPS）、高速金融交易、还是基础物理学实验——传统的计时标准已渐显疲态。 《新一代原子钟》正是一部深度聚焦于这场“精确革命”的权威著作。它不仅是一本技术手册，更是一部描绘未来时间图景的恢弘史诗。本书系统梳理了原子钟技术的发展脉络，深入剖析了当前主流的原子钟技术路线，并以严谨的科学态度，前瞻性地展望了下一代原子钟所能带来的颠覆性变革。 第一部分：精确的基石——从第一代到第三代原子钟 本书伊始，作者首先为读者构建了一个坚实的理论基础。我们回顾了第一代原子钟——以铯原子束标准为代表的频率基准，探讨了它们在定义“秒”的权威性背后的精妙物理原理。随后，我们进入了第二代原子钟时代：氢原子束钟和铷原子钟的崛起。作者详尽比较了这两种钟在便携性、稳定性和绝对精度上的优劣，解释了它们如何在电信、导航和基础科学研究中占据核心地位。 然而，精度永无止境。第三代原子钟的突破，核心在于对原子能级的精细控制与量子电动力学效应的深入利用。本书用大量篇幅阐述了光泵浦原子钟和原子振荡器的原理。我们不仅探讨了如何通过激光冷却和囚禁技术，将原子置于近乎绝对零度的环境中以减少热噪声，更详细解析了利用微波或光频驱动激发原子能级的复杂过程。这种对环境噪声的极致抑制，使得频率不确定度首次达到了令人震惊的 $10^{-15}$ 甚至更高水平。 第二部分：量子跃迁与囚禁之术——光晶格钟的横空出世 全书的重点与核心，无疑是对光晶格钟（Optical Lattice Clocks）的深度剖析。光晶格钟被公认为下一代原子钟的希望所在，它标志着时间测量的精度将迈入光频（相较于微波频）时代，理论精度有望突破 $10^{-18}$ 量级。 作者以清晰的逻辑，首先介绍了光晶格钟所依赖的“原子陷阱”技术。我们如何利用多维的、高度受控的激光束构建出“光晶格”，如同一个微观的原子监狱，将大量的中性原子（如锶、镱或铝离子）精确地“钉”在晶格节点上，使其几乎完全静止。接着，本书详细讲解了“拉曼边带冷却”和“光频梳”技术。正是光频梳，这座连接微波与可见光频率的“阶梯”，使得对超高频率跃迁的直接计数成为可能，从而彻底摆脱了对传统微波技术的依赖。 书中包含了大量关于系统误差分析的原创性讨论。例如，原子间的相互作用（如碰撞效应、多体效应）、激光的频率噪声、以及如何通过改变囚禁激光的频率来补偿电磁频移（Stark Shift）的复杂校准过程。作者展示了如何通过精妙的实验设计，将这些影响精度的“幽灵”一一捕捉并消除。 第三部分：应用前沿——精度背后的深远影响 《新一代原子钟》不仅关注“如何制造”更精确的时钟，更着重探讨“精确时间”将如何重塑我们的世界。 1. 基础物理学的复兴： 超高精度的原子钟是检验基本物理理论的终极探针。本书探讨了如何利用光晶格钟进行检验洛伦兹不变性（Lorentz Invariance）、寻找第五种力的蛛丝马迹，以及通过监测基本常数（如精细结构常数$alpha$）随时间的变化来探索宇宙演化的新路径。 2. 导航与定位的革命： 现有GPS系统的精度受限于相对论效应和信号延迟。下一代原子钟，尤其是“可穿戴式原子钟”和“卫星间光钟同步系统”的开发，预示着无需依赖外部信号的、米级甚至亚厘米级的自主导航将成为现实。 3. 广域时间同步与量子网络： 随着5G、6G网络的部署，以及分布式量子计算的发展，对“统一时间基准”的要求前所未有。本书阐述了如何通过光纤网络和量子纠缠技术，实现地面时钟间的远程同步（Optical Clock Networks），这种同步精度将远超现有的“协调世界时”（UTC）标准，为构建全球性的量子互联网奠定时间基础。 4. 地球物理学的革新： 极度灵敏的时钟对重力场的变化极其敏感。本书介绍了如何利用原子钟测量重力位势的微小变化，从而实时监测地下水储量、火山活动，甚至可以用来验证广义相对论的差异效应。 结语：时间测量的下一个百年 《新一代原子钟》以其详实的案例、前沿的理论和广阔的视野，为物理学家、工程师、信息技术专家以及所有对时间本质着迷的读者，提供了一张通往未来科技前沿的地图。它揭示了，当我们试图抓住时间最微小的颤动时，我们实际上正在触摸宇宙最深层的秘密。这本书不仅记录了人类在时间测量领域所达到的巅峰，更点燃了对下一个“秒”的定义——那可能是基于更精妙的量子效应，或完全出乎我们意料的全新物理原理——的无限憧憬。 ---

评分☆☆☆☆☆

说实话，我很少能对一本技术类书籍产生如此强烈的“沉浸感”。这本书的语言风格非常独特，它既有科学的冷静客观，又饱含着对自然规律的无限敬畏。我尤其欣赏作者在处理不同历史时期技术发展交叉点时的叙事手法。比如，当他描述经典物理学遇到瓶颈时，新理论是如何应运而生并最终被用来设计出更精密的测量工具，那种戏剧性的转折处理得非常高明。阅读过程中，我的思维仿佛跟着作者的思路在不断加速和减速，时而沉浸在微观粒子的不确定性中，时而又被宏大的工程应用所吸引。它没有故作高深，而是用最诚恳的态度将复杂的原理摊开在你面前，等着你去理解。读完后，我对“精度”这个概念有了全新的敬畏之心，它不再是一个简单的数值，而是一整套建立在深刻物理洞察之上的工程奇迹。

评分☆☆☆☆☆

这本书带给我的震撼，更多是源于它在“人文关怀”与“硬核技术”之间达成的完美平衡。作者巧妙地将技术的发展融入到人类历史的宏大叙事中，让我们看到，每一次测量精度的提升，背后都牵动着科学家们多年的心血和无数次的实验迭代。我尤其喜欢其中穿插的那些关于科学家个人奋斗的小故事，它们为冰冷的数字增添了人性的温度。虽然内容涉及大量前沿物理知识，但作者的行文极其流畅，仿佛在进行一场高质量的学术沙龙对话，让人感觉亲切而又受益匪浅。这本书让我明白，顶尖的科学成果从来都不是孤立存在的，它们是建立在坚实的理论基础和无数次细微调试之上的艺术品。它成功地激发了我对基础科学的再次热情，强烈推荐给所有对世界运行规律充满好奇心的人。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度远超出了我对“科普”的传统理解。它不仅仅是介绍一种技术，更是在探讨“时间”这个哲学命题在现代科学中的具体表现形式。作者的笔触非常老练，他没有急于展示最终的成果，而是花了大量的篇幅去铺陈前人在基础理论上所做的挣扎与突破。特别是关于量子效应如何被引入到时间测量中的那段描述，那种从宏观到微观的思维跨越，读起来令人震撼。我喜欢这种层层剥茧的写作手法，它让我们明白了，任何尖端技术都不是凭空出现的，而是无数次失败、修正、再尝试的累积。书中的一些案例分析，比如如何利用这种技术来校准全球定位系统，或者在基础物理实验中扮演的角色，都展现了其巨大的现实意义。对我来说，这本书更像是一本关于“如何进行最高水准的科学研究”的指南，充满了方法论上的启发。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是智慧的结晶，我一口气读完了，感觉自己的认知边界被极大地拓宽了。作者在叙述上有一种魔力，能够将那些看似晦涩难懂的物理概念，用一种近乎诗意的语言娓娓道来。尤其是关于时间测量精确度极限的探讨部分，那种层层递进的逻辑推演，让人拍案叫绝。我以前总觉得“精确”是个很玄乎的词，但读完后，我对“纳秒”、“皮秒”甚至更小的时间单位有了具象的认识，仿佛那些微小的跳动都清晰地呈现在眼前。书里对基础物理定律的深入浅出地讲解，更是让我这个非专业人士也能领略到科学的魅力。它不是那种堆砌公式和术语的教科书，而是真正引导你思考，去体会人类探索未知世界的那份执着与浪漫。翻到后面，作者对未来技术应用的展望，更是充满了大胆的想象力，读来令人心潮澎湃，对人类科技的未来充满了信心。这本书不仅是知识的馈赠，更像是一次精神的洗礼。

评分☆☆☆☆☆

我通常对这种偏向硬核科学的读物敬而远之，总觉得会晦涩难懂，但这本让我彻底改观了。它的叙事节奏把握得极其精妙，读起来毫不拖沓，像是在听一位顶级科学家在向你娓娓道来他最引以为傲的研究历程。最让我印象深刻的是其中关于“校准与误差修正”那一章节，作者没有简单地罗列技术细节，而是通过大量的历史案例和对比，生动地展示了人类是如何一步步从机械的钟摆到原子的微观振动中寻找稳定的锚点的。那种对细节的极致追求和对科学严谨性的捍卫，通过文字清晰地传递了出来。每当我觉得快要跟不上思路时，作者总能及时抛出一个精妙的比喻，把我从迷雾中拉出来，重新锚定在清晰的理解上。这本书的排版和插图设计也值得称赞，它们完美地辅助了文本的解释，让复杂的结构清晰可见。读完合上书本的那一刻，我仿佛觉得自己也参与了一场漫长的、追求绝对精确的伟大探索。