对于石英振荡器来说，计时精度的提高，意味着它的振荡频率的提高。石英振荡器的频率高低，是由它的晶体厚度来决定的，厚度越薄，频率越高。现在的高频石英振荡器已经薄得像纸一样不能再薄了，生产出来的时钟的误差每天不大于千分之一秒。即使如此精确，但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

五、铯原子钟

哥伦比亚大学的物理学教授、1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比（Isidor Issac Rabi）堪称原子钟之父。在1945年，他就提出，可以运用其在30年代发明的原子束磁共振技术来制造原子钟。使用了拉比的技术，NIST（当时的名称是美国国家标准局，National Bureau of Standards，简称NBS）在1949年使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟。1952年，NIST制成了第一台铯原子钟，它被命名为NBS-1。这一命名规则被延续下来，一直到1975年的NBS-6（它的下一代名为NIST-7，再下一代则为NIST-F1）。在那个时候，NBS-6的精确程度已经可以达到在30万年的时间中，既不会快1秒，也不会慢1秒了。

铯原子钟被人们形象的称作“喷泉钟”，因为铯原子钟的工作过程是铯原子象喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加精确。图1详细的描绘了铯原子钟工作的整个过程。这个过程可以分割为四个阶段：

第一阶段：

由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用6束相互垂直的红外线激光（黄线）照射铯原子气，使之相互靠近而呈球状，同时激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。如图2。

第二阶段：

两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起，形成“喷泉”式的运动，然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高，穿过一个充满微波的微波腔，这时铯原子从微波中吸收了足够能量。如图3。

图1.铯原子钟的工作过程

图2.铯原子气被引入到真空室中后，气体的温度降低，接近于绝对零度，并且呈现圆球状气体云。

图3. 2束激光将“气球”推向上方

图4.在重力的作用下，气球开始向下坠落，并再次穿过微波腔。同时微波部分地改变了铯原子的原子状态。

第三阶段：

在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出来。如图4。

第四阶段：

在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。如图5。

上述过程将多次重复进行，而每一次微波腔中的频率都不相同。由此可以得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铯原子的天然共振频率，或确定秒长的频率。

图5.当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。整个过程被多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。这一点定义了用来确定秒的铯原子的天然共振频率。

图6.NIST F-1原子钟

今天，名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的铯原子钟，它由170个元器件组成，其中包括透镜，反射镜和激光器。位于中部的管子高1.70米，铯原子在其中上下移动，发出极为规则的“信号”。但它并不能直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST）物理实验室的时间和频率部内。1999年才建成的这座钟价值约为65万美元，可谓身价不菲。在2000万年内，它既不会少1秒也不会多1秒，其精度之高由此可见一斑。这架昂贵的时钟既没有指针也没有齿轮，只有激光束、镜子和铯原子气。

原子钟最初是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的，现在，原子钟的用途除了验证地心引力理论、指导太空飞船外，还能解决许多现实问题。比如说GPS全球定位系统，由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。空间部分使用24个高度约2.02万千米的卫星组成，每一个卫星装载有4个原子钟，通过从三个不同角度测量轨道传来的时间信号，使地面上的全球定位系统接收器能够精确判断自己所在的位置。GPS选择原子钟就是看中了它的稳定性，因为在轨道上只要出现微小的不稳定性，就会造成地上接收器测量结果发生几米的误差。