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        “天宮二號(hào)”里的空間冷原子鐘

        2017-07-17 15:23:26中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
        軍事文摘·科學(xué)少年 2017年3期
        關(guān)鍵詞:原子鐘計(jì)時(shí)高精度

        中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所

        從日晷到冷原子鐘

        在人類(lèi)文明進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中,人類(lèi)活動(dòng)所帶來(lái)的社會(huì)需求與時(shí)間測(cè)量的精度是密不可分的。很久很久以前,我們的祖先記錄時(shí)問(wèn)是利用天體的周期性運(yùn)動(dòng)。他們?nèi)粘龆鳎章涠?,通過(guò)觀察自然現(xiàn)象,例如太陽(yáng)和月亮相對(duì)自己的位置來(lái)模糊地定義時(shí)間,這樣的時(shí)間被稱(chēng)為自然鐘。

        后來(lái),人們逐漸發(fā)明了日晷、水鐘、沙漏等計(jì)時(shí)裝置,能夠指示時(shí)間按等量間隔流逝,這也標(biāo)志著人造時(shí)鐘開(kāi)始出現(xiàn)。

        而當(dāng)鐘擺等可長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)周期運(yùn)動(dòng)的振蕩器出現(xiàn)后,人們把任何能產(chǎn)生固定振蕩頻率的裝置,統(tǒng)稱(chēng)為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn),并以此為基礎(chǔ)發(fā)明了真正可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)鐘。

        從14世紀(jì)到19世紀(jì)中葉的500年問(wèn),人們首先采用古老的擺輪鐘代替了自然鐘(誤差約為1刻鐘/天),然后在鐘擺裝置的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出日益精密的機(jī)械鐘表(誤差約為1秒/年)。

        從20世紀(jì)30年代開(kāi)始,小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機(jī)械鐘,成為人們?nèi)粘I钪兴褂玫闹饕?jì)時(shí)裝置。

        總而言之,“時(shí)間”已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中測(cè)量準(zhǔn)確度最高的基本物理量。人類(lèi)通過(guò)不斷提高影響時(shí)間測(cè)量精度的長(zhǎng)度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度等其它基本物理量的測(cè)量精度,從而不斷提高時(shí)間測(cè)量精準(zhǔn)度。

        20世紀(jì)40年代開(kāi)始,科學(xué)家們利用原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級(jí)具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點(diǎn),發(fā)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘。

        自從有了原子鐘,人類(lèi)計(jì)時(shí)的精度以幾乎每10年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度飛速發(fā)展。到20世紀(jì)末,計(jì)時(shí)誤差約為1秒/300萬(wàn)年,在此基礎(chǔ)上建立的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(例如美國(guó)的GPS),覆蓋了整個(gè)地球98%的表而,將原子鐘的信號(hào)廣泛地應(yīng)用到人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。

        隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展,利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時(shí)間測(cè)量的精度進(jìn)一步提高。到目前為止,地而上精確度最高的冷原子噴泉鐘誤差已經(jīng)減小到1秒/3億年,更高精度的冷原子光鐘也在飛速發(fā)展中。

        空間冷原子鐘向更高精度進(jìn)發(fā)

        近年來(lái),科學(xué)家們將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合,有望在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個(gè)數(shù)量級(jí)的原子鐘譜線,從而進(jìn)一步提高原子鐘精度,這將是原子鐘發(fā)展史上又一個(gè)重大突破。

        科學(xué)家們經(jīng)過(guò)近10年的艱苦努力,2016年,中國(guó)第一臺(tái)空間冷原子鐘正樣產(chǎn)品研制成功,由“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室搭載進(jìn)入太空,成為國(guó)際上第一臺(tái)在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘。

        空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)、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(shù)基礎(chǔ),并且在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、深空探測(cè)、廣義相對(duì)論驗(yàn)證、引力波測(cè)量、地球重力場(chǎng)測(cè)量、基本物理常數(shù)測(cè)量等一系列重大技術(shù)和科學(xué)發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。

        我們相信,人類(lèi)的活動(dòng)范圍沒(méi)有極限,對(duì)時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求也就沒(méi)有極限!

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