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中國計量院自主研制的鍶原子光晶格鐘:35億年不差一秒


  來源: 光明日報 時間:2022-05-13 編輯:清風(fēng)
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逝者如斯夫,不舍晝夜。對于兩千多年前的古人來說,時間就是晝夜交替。對于今天的科學(xué)家而言,時間是原子的“跳動”。


在中國計量科學(xué)研究院,有一種特殊的計時設(shè)備——鍶原子光晶格鐘。它以鍶原子的躍遷頻率作為時間計量標(biāo)準(zhǔn)。而且,可以把時間測量的準(zhǔn)確度提高到35億年不差一秒。



時間這么精確有什么用?大有用處!而且,科技越發(fā)展,用處越大!


就拿已深入每個人生活的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說,精密時間測量發(fā)揮了重要作用。導(dǎo)航系統(tǒng)需要多顆導(dǎo)航衛(wèi)星組網(wǎng)運行,每顆衛(wèi)星上都放置有特殊的高準(zhǔn)確度的鐘,將時間發(fā)送到地面。科研人員根據(jù)接收到不同衛(wèi)星信號的時間差和坐標(biāo),計算出地面的具體位置。在這個過程中,時間越精確,時間差的測量誤差就越小,定位的準(zhǔn)度就越高。


中國計量院時間頻率研究所所長房芳告訴記者,高精度的時間測量還在5G通信、航天發(fā)射和測控、智慧城市等領(lǐng)域有著不可替代的作用。


不過,要實現(xiàn)高精度的時間測量,并不容易。在很長的歷史里,人類計時一直用的是天文秒。就是將地球自轉(zhuǎn)的周期等分為86400份,據(jù)此得到秒長。天文秒取決于地球運動的周期,會隨地球運動速率的變化而變化,不夠穩(wěn)定,這自然也會影響其準(zhǔn)確度。


隨著量子物理的發(fā)展,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些量子現(xiàn)象的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于天文現(xiàn)象,非常適合作為時間頻率基準(zhǔn),于是提出原子秒,并將其定義到銫-133原子躍遷頻率上,即銫-133原子振蕩91億9263萬1770次為1秒。中國計量院研制的銫原子噴泉鐘,準(zhǔn)確度達到6000萬年不差一秒。


銫原子噴泉鐘屬于微波鐘,它采用的是原子躍遷吸收微波波段的頻率?!岸J原子光晶格鐘的光學(xué)頻率比微波頻率更穩(wěn)定,穩(wěn)定度提高后,準(zhǔn)確度也相應(yīng)會提高,因此其準(zhǔn)確度可以高幾個量級。”房芳解釋,這種基于光學(xué)頻率的原子鐘又被稱為光鐘。


中國計量院從2005年開始自主研制鍶原子光晶格鐘,并不斷改進,相對頻率準(zhǔn)確度目前可達到10-18秒,相當(dāng)于35億年不差一秒,未來還可能提高到上百億年不差一秒。



目前,科學(xué)界正在探討未來進一步修改秒的定義的方案,使時間測量更精準(zhǔn)。鍶原子光晶格鐘等光鐘,頻率更穩(wěn)定,測量的結(jié)果也更準(zhǔn)確,為進一步修改秒定義提供了現(xiàn)實可能性。


當(dāng)然,光鐘更加直接的作用,是作為時間頻率計量的基準(zhǔn)。鐘表走得快了還是慢了,必須有一個最終的參照,光鐘就承擔(dān)這樣的角色。


光鐘還可以用來探測引力波。引力波出現(xiàn)時會改變引力勢,而引力勢會改變光鐘的頻率。光鐘的準(zhǔn)度越高,越有利于探測引力波。此外,光鐘在驗證相對論、檢驗物理常數(shù)變化、發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)等前沿物理領(lǐng)域都可以發(fā)揮重要作用。


逝者如斯夫,我們的科研人員正在為實現(xiàn)更精準(zhǔn)的時間測量而不舍晝夜地工作著。(來源:《光明日報》2022年05月07日 01版 作者:陳海波)


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