石英表如何计时？卫星使用的原子钟是何原理？其实它也是石英钟

钟表为何能准确地显示出时间呢？其实钟表计算时间的方法只有一个，那就是振动。

简单来讲就是寻找一个振动频率固定的物体，然后再根据这个物体振动的次数来确定时间。比如一个持续摆动的钟摆，我们就可以将其摆动一次所需的时间定义为1秒。当然，这只是举例，用钟摆的摆动来定义时间显然是不够精确的，要准确地定义时间，我们需要更为精细的标尺。说到定义时间的标尺，我们就会想到石英表，这种表走时很准，只要不出现故障，往往传上几代人，都不会出现显著的时间误差，那么石英表到底是如何计时的呢？

其实很简单，石英表就是通过石英的振动来计算时间的。

石英是一种很有意思的物质，当我们给石英晶体通电，它就会开始振动，而它振动的过程又可以反过来向外发电。在石英表内负责计时的就是由石英晶体所制作的石英振荡器，而石英振荡器在出厂的时候，其振荡频率会被统一调整为32768赫兹，也就是说在给石英振荡器通上电之后，它每振荡32768次就是一秒钟，非常精确。

石英表内的其它机械系统就是根据石英震荡器的振动频率来进行走时的。

因为石英的振荡频率非常稳定，所以石英表也不容易出现误差，甚至于一些比较好的石英表，因为内部安装的石英震荡器质量很高，所以几万年的时间所累计的误差还不到1秒钟，的确可以代代相传。不过石英表的计时精度虽高，但只适用于普通人的日常生活，如果是需要更精确计时的地方，它就有些力不从心了。这就好比用盒尺来测量桌面的长度很精确，可要是用盒尺来测量一粒米的宽度，就不够精确了。

导航卫星就是一个需要更精确测量时间的设备。为什么呢？

导航卫星确定一个物体的位置，依靠的是这个物体和多个卫星之间的距离，而测量距离则是通过卫星向该物体发射信号后测量信号返回的时间，所以只是一丝一毫的时间误差，都可能导致“差之毫厘谬以千里”的结果，特别是对于军用导航系统来说，即便是二三十米的误差，也会导致无法精确命中。所以为了精确计算时间，导航卫星会使用原子钟来进行计时。

原子钟是不是就是通过原子的振动来计算时间的钟表呢？

原子的振动在这里的确发挥了重要的作用，但真正用于计时的其实还是石英钟。在给原子钟通电之后，里面的石英震荡器会开始振动，振动会向外发电，而这些产生的电荷会被转化为振荡频率为9192631770赫兹的微波。在原子钟内部有着一个铯原子发射器，所发射出的铯原子有高能级和低能级两种状态，在经过磁场之后，两种状态的铯原子会发生不同方向的偏转，其中低能级铯原子会与石英震荡器所产生的微波相遇。

由于铯原子的振荡频率也为9192631770赫兹，与微波相同，所以在受到微波照射之后，会发生共振，转为高能级铯原子。

然后这些高能级铯原子会通过另一个磁场，偏转到一个探测靶之上。如果石英振荡器的振动频率改变，微波的频率就会发生变化，也就无法与低能级铯原子实现共振，于是低能级铯原子便没有办法转为高能级铯原子，也就不会偏转到探测靶上，此时系统就知道出现了误差，于是会通过电击进行纠正。所以原子钟比单纯的石英钟更加精确，即便工作100亿年，也不会出现1秒的误差。