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        揭秘“時(shí)間魔盒”原子鐘

        2022-06-12 04:02:53朱璽
        華聲 2022年7期
        關(guān)鍵詞:原子鐘顆衛(wèi)星計(jì)時(shí)

        朱璽

        對(duì)未知的向往,使人類從未停止對(duì)時(shí)間頻率測量精度的追求,原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。

        時(shí)間是什么?時(shí)鐘會(huì)告訴我們時(shí)間,它是我們生活不可或缺的一部分。

        當(dāng)人類意識(shí)到時(shí)間的流逝,便開始利用周期性現(xiàn)象對(duì)時(shí)間進(jìn)行追蹤。遠(yuǎn)古時(shí)期,人類通過草木枯榮判定季節(jié),通過觀察太陽、月亮在天空中的運(yùn)動(dòng)來判斷時(shí)間,日出而作,日落而息。后來,人們探索出了通過滴水來計(jì)時(shí)的水鐘,流沙計(jì)時(shí)的沙漏等。二戰(zhàn)后,美國國家物理實(shí)驗(yàn)室研制出了世界上第一臺(tái)原子鐘,代表了人類一個(gè)歷史性的跨越。1967年,秒長的定義溯源到了原子上。此后,各種原子鐘相繼問世,成了目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具,實(shí)用性也越來越高。

        原子鐘其實(shí)離人們?nèi)粘I詈芙?。例如,原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著“心臟”般的作用。當(dāng)我們拿出手機(jī)打開導(dǎo)航軟件,能夠看到自己的地理位置,輸入目的地,導(dǎo)航軟件能夠規(guī)劃路線,且實(shí)時(shí)告訴我們需要向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)。這是如何做到的呢?

        我們先來看一下衛(wèi)星導(dǎo)航與定位的原理。在三維空間中,建立坐標(biāo)系,當(dāng)已知3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及第四個(gè)未知點(diǎn)分別與已知點(diǎn)之間的距離,那么未知點(diǎn)的坐標(biāo)就可以被確定。同理,當(dāng)我們在地球上仰望天空,至少能夠同時(shí)看到3顆衛(wèi)星,衛(wèi)星飛行在自己的軌道上,它的運(yùn)行軌跡被編入星歷,同時(shí)接收3顆衛(wèi)星發(fā)來的星歷,經(jīng)過解算,可以知道衛(wèi)星的位置。此外,還需要知道我們與衛(wèi)星之間的距離。距離等于速度乘以時(shí)間,光傳播速度是每秒30萬公里,所以只需要知道信號(hào)傳播時(shí)間就可以了。

        此時(shí),我們發(fā)現(xiàn),導(dǎo)航定位的關(guān)鍵便是時(shí)間的測量。

        這就需要原子鐘隆重登場了,每顆衛(wèi)星及地面站里都配備了一組原子鐘,時(shí)間信號(hào)隨星歷一同發(fā)送,在解算衛(wèi)星位置的過程中,也能夠同時(shí)得到時(shí)間信息以及距離。這樣,我們的位置便可以被計(jì)算出來。

        日常生活中的手機(jī)等電子產(chǎn)品,通常內(nèi)置導(dǎo)航模塊,能夠?qū)崟r(shí)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并依據(jù)一定的算法進(jìn)行解算。于是,便有了我們對(duì)自身位置的實(shí)時(shí)掌控。如果原子鐘提供的時(shí)間誤差在1微秒,那么定位誤差將高達(dá)300米。如果要達(dá)到米量級(jí)的導(dǎo)航,在不考慮其他誤差因素的情況下,原子鐘提供的時(shí)間誤差需保持在3納秒。

        時(shí)間的精密測量決定了導(dǎo)航定位的精度,如果沒有原子鐘,就無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)航了。

        原子鐘究竟有多準(zhǔn)呢?拿機(jī)械手表、石英鐘對(duì)比一下。當(dāng)我們帶著機(jī)械手表開著車,繞北京四環(huán)跑1圈,大概1個(gè)小時(shí),機(jī)械手表就偏差了1秒;對(duì)于石英鐘來說,偏差1秒差不多需要270年;而原子鐘偏差1秒需要多久呢,3000萬年!假如我們送給地球上最后一只霸王龍一臺(tái)原子鐘,那么到今天,這臺(tái)原子鐘只偏差了2秒。

        浩瀚宇宙中藏著未知的秘密,我們渴望知道黑洞里面是什么樣子,我們渴望看到引力波的痕跡,我們也渴望與地球外的生物對(duì)話,這些對(duì)未知的向往,使人類從未停止對(duì)時(shí)間頻率測量精度的追求,原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。(作者系中國航天科工二院203所設(shè)計(jì)師)

        摘編自搜狐網(wǎng)

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