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科普“天宫二号”:超高精度空间冷原子钟

2016-09-08 09:53
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  超高精度空间冷原子钟,这是一台什么“钟”?它在“天宫二号”空间实验中扮演着什么角色?又将对我们的生活产生什么影响呢?一切还得从很久很久以前说起……

  “精”益求“精”:从日晷到冷原子钟

  在人类文明进步和科学技术发展的历史长河中,人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。很久很久以前,我们的祖先记录时间是利用天体的周期性运动。他们日出而作,日落而息,通过观察自然现象,例如太阳和月亮相对自己的位置等来模糊的定义时间,这样的时间被称为自然钟。

  后来,人们逐渐发明了如日晷、水钟、沙漏等计时装置,能够指示时间按等量间隔流逝,这也标志着人造时钟开始出现。

  而当钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器出现后,人们把任何能产生确定的振荡频率的装置,称为时间频率标准,并以此为基础发明了真正可持续运转的时钟。

人类计时工具的演变(刘琪 制图)

  从14世纪到19世纪中叶的500年间,人们首先采用古老的摆轮钟代替了自然钟,(精度约为10^-2量级,误差约为1刻钟/天),然后在钟摆装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表,使机械钟的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平(精度最高达到10^-8量级,误差约为1秒/年)。

  从20世纪30年代开始,随着晶体振荡器的发明,小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟,广泛应用在电子计时器和其它各种计时领域,一直到现在,成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。

  20世纪40年代开始,现代科学技术特别是原子物理学和射电微波技术蓬勃发展,科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点,发展出比晶体钟更高精度的原子钟。

  1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义:“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。

  自从有了原子钟,人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,20世纪末达到了10^-14量级,即误差约为1秒/300万年,在此基础上建立的全球定位导航系统(例如美国GPS),覆盖了整个地球98%的表面,将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。

  随着激光冷却原子技术的发展,利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高,到目前为止,地面上精确度最高的冷原子喷泉钟误差已经减小到1秒/3亿年,更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。

时间测量装置的演变图例(梁哲凯 制图)

  总而言之,“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量,通过各种物理转化,可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度,是现代物理计量的基础。

  激光冷却+空间微重力:让原子钟向更高精度进发

  近年来,科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合,有望在空间轨道上获得比地面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱线,从而进一步提高原子钟精度,这将是原子钟发展史上又一个重大突破。

  由于高精度空间原子钟在计量学、守时、全球导航定位系统、基础物理等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值,国际上争相开展空间高精度原子钟的研究计划,其中最主要的是欧洲空间局ESA支持的ACES计划,预计将于2017年发射运行。

  我国在原子钟研究方面都做了哪些工作呢?

  说到这个,就不得不提到中国科学院上海光机所的王育竹院士及其科研团队,他们从上世纪六十年代就开始了原子钟方面的研究。

  在1971~1979年间,他们承担了“远望”号测量船上铷原子钟的研制任务,成功研制出中国第一台铷原子钟,为国家导弹发射、远距离测量、通信等领域做出过重要贡献,获得了全国科技大会“重大科技成果奖”和国家科技进步特等奖。

中国第一台铷原子钟(上海光机所研制)

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