3億年誤差1秒的冷原子鐘你了解嗎?

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發表時間:2017-07-06 08:49作者:小馬來源:西安同步原創

超高精度空間冷原子鐘,這是一臺什么“鐘”?將對我們的生活產生什么影響呢?  

“精”益求“精”:從日晷到冷原子鐘

人類計時工具發展演變圖

人類計時工具發展演變圖

在人類文明進步和科學技術發展的歷史長河中,人類活動所帶來的社會需求與時間測量的精度是密不可分的。很久很久以前,我們的祖先記錄時間是利用天體的周期性運動。他們日出而作,日落而息,通過觀察自然現象,例如太陽和月亮相對自己的位置等來模糊的定義時間,這樣的時間被稱為自然鐘。

后來,人們逐漸發明了如日晷、水鐘、沙漏等計時裝置,能夠指示時間按等量間隔流逝,這也標志著人造時鐘開始出現。   

而當鐘擺等可長時間反復周期運動的振蕩器出現后,人們把任何能產生確定的振蕩頻率的裝置,稱為時間頻率標準,并以此為基礎發明了真正可持續運轉的時鐘。

從14世紀到19世紀中葉的500年間,人們首先采用古老的擺輪鐘代替了自然鐘,(精度約為10^-2量級,誤差約為1刻鐘/天),然后在鐘擺裝置的基礎上逐漸發展出日益精密的機械鐘表,使機械鐘的計時精度達到基本滿足人們日常計時需要的水平(精度最高達到10^-8量級,誤差約為1秒/年)。

從20世紀30年代開始,隨著晶體振蕩器的發明,小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘,廣泛應用在電子計時器和其它各種計時領域,一直到現在,成為人們日常生活中所使用的主要計時裝置。

20世紀40年代開始,現代科學技術特別是原子物理學和射電微波技術蓬勃發展,科學家們利用原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率這一特點,發展出比晶體鐘更高精度的原子鐘。

1967年第13屆國際計量大會將時間“秒”進行了重新定義:“1秒為銫原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期所持續的時間”。   

自從有了原子鐘,人類計時的精度以幾乎每十年提高一個數量級的速度飛速發展,20世紀末達到了10^-14量級,即誤差約為1秒/300萬年,在此基礎上建立的全球定位導航系統(例如美國GPS),覆蓋了整個地球98%的表面,將原子鐘的信號廣泛的應用到了人類活動的各個領域。

隨著激光冷卻原子技術的發展,利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高,到目前為止,地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘誤差已經減小到1秒/3億年,更高精度的冷原子光鐘也在飛速發展中。

空間冷原子鐘實體圖

空間冷原子鐘實體圖

從外形上來看,空間冷原子鐘是一個黑色圓柱體,從20世紀40年代開始,科學家們利用原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率這一特點,研發出了原子鐘,并在此基礎上研制出噴泉冷原子鐘,這種鐘比一般的鐘精度更高。截至2016年9月,地面上精確度最高的噴泉冷原子鐘誤差已經減小到1秒/3億年。

空間冷原子鐘是在地面噴泉原子鐘的基礎上,科學家們將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合的噴泉冷原子鐘,主要包括物理單元、微波單元、光學單元和控制單元4個組成部分。相比于之前太空運行的最高精度300萬年誤差1秒的熱原子鐘,這只冷原子鐘將時間精度提升了10倍。

但在地面上,受到重力的作用,自由運動的原子團始終處于變速狀態,宏觀上只能做類似噴泉的運動或者是拋物線運動,所以噴泉冷原子鐘在時間和空間兩個維度受到一定的限制,那么如何才能使鐘的精度更高呢?在這種情況下,空間冷原子鐘應運而生。在空間的微重力環境下,原子團可以做超慢速勻速直線運動,基于對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息,從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。

中國科學院上海光機所量子光學重點實驗室主任劉亮介紹說,如果說機械表1天差不多有1秒誤差,石英表10天大概有1秒誤差,氫原子鐘數百萬年有1秒誤差,那么這臺冷原子鐘則可以做到3000萬年誤差1秒?!拔磥砜赡艹霈F更精準的原子核鐘,”劉亮說,“我們**目標是制造出在宇宙的生命周期內永不會走偏的時鐘?!?/span>

冷原子的典型應用圖

冷原子的典型應用圖

空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時頻系統、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術基礎,并且在全球衛星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。