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冷原子钟:算无遗策的时间卡尺
来源:学习时报    作者:郑平刚 张乃千 唐嘉    2016-10-31 09:24:10

 
 

  最准钟表出自何处

  在人类文明发展的历史长河中,各类社会需求都与时间的精确测量息息相关。从最早依靠天体的周期性运动和相对位置模糊定义时间,日出而作日落而息,到日晷、沙漏和水钟等人造计时工具的出现,都反映出人们对于精确时间测量的不懈追求。在长时间反复周期运动的振荡器出现后,人们把能产生确定振荡频率的装置作为时间频率标准。从14世纪到19世纪初,人们先后发明了摆轮钟和更加精密的机械钟表,计时精度已基本满足人们日常生活需求。20世纪30年代出现的石英晶体钟表,具有小型化、低功耗等特点,已经成为目前主要的计时装置。

  从20世纪40年代开始,随着现代科学技术尤其是原子物理和量子力学的发展,人们逐步认识到原子超精细结构能级跃迁具有恒定的频率特性,可以作为频率基准。在此基础上,精度更高的原子钟逐渐得到重点研究与发展。自从有了原子钟,计时工具的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,到20世纪末,原子钟的误差已经达到300万年只有1秒的水平。1967年第13届国际计量大会直接将时间“秒”定义为“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期”。近年来,基于激光冷却原子技术发展而来的冷原子钟使计时精度进一步提高,更高精度的冷原子钟得到飞速发展。

  精度追求永无止境

  随着人类活动范围的不断拓展,人类对时间测量标准的精度追求也永无止境。通过实验人们发现,在空间微重力环境下,冷原子光钟有望获得比地面上线宽更窄的原子钟谱线,从而进一步提高原子钟精度,空间冷原子钟就是在地面喷泉原子钟基础上发展而来。

  美国国防部高级研究计划局(DARPA)于近期启动了“高稳原子钟”(ACES)项目,旨在进一步提高轻小型、低功耗平台原子钟的授时精度。由美国国防部和密歇根大学合作研制的体积仅有1立方厘米的原子钟,同时兼具高精度、小体积和低功耗等突出特点,将进一步提高手机和其他电子装置的计时精度。“超快激 光 科 学 与 工 程 项 目 ”(PULSE)研究的超短脉冲原子钟和微波源,可精确实现远距离时间和频率同步。目前,量子辅助传感与读出(QuASAR)项目的研究人员已经在实验室环境下开发出精度可达50亿年误差1秒的原子钟。美国国家标准与技术研究所研制的镱原子钟,精度高达10的18次方,比现有的原子钟精度提高了10倍。

  我国于上世纪七十年代成功研制出铷原子钟,为高精度测量和远距离通信做出了重要贡献。进入21世纪,我国开始小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟的研究工作,并于2010年完成空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学论证。2011年,空间冷原子钟实验(CACES)正式进入工程样机设计与研制阶段。经过我国科学家近10年的艰苦努力,我国第一台空间冷原子钟产品最终研制成功,并搭载“天宫二号”空间实验室顺利升空。

  定时神器可堪大用

  超高精度的原子钟,是卫星导航领域的关键核心技术。卫星导航正是依托精确测量微波信号从卫星到达目标所用时间,获得卫星和目标之间的精确距离。目前美国GPS系统使用的原子钟,精度也仅仅能达到纳秒量级,直接导致民用GPS导航精度在十几米左右。空间冷原子钟可以在太空直接对其他卫星上的星载原子钟进行信号传递和校准,可有效避免地面基准校正过程中大气和电离层对信号的干扰,具有更精确的精度和更稳定的运行能力。一旦空间冷原子钟在导航系统得到应用,将直接促使卫星导航精度达到厘米量级。

  目前的卫星导航系统只能应用于近地范围,未来通过在空间适当位置放置高精度原子钟,就可以实现大尺度的高精度空间导航。此外,原子钟还可以用来探索宇宙本质,利用空间冷原子钟可进一步推动引力波和暗物质探测实验进展。使用原子钟可以将世界上几千台望远镜相互连接,构成洞察宇宙奥秘的观天巨眼,在开展远距离实时通信和保密通信等领域也有至关重要的作用。

  精确授时对于战场信息指挥、情报侦察、通信、电子战和导航制导等应用至关重要。在军事应用领域,原子钟可以为航天测控和导弹发射系统提供标准的时间和频率信号,从而确保各个作战系统和武器装备在统一的时间基准下同步工作。DARPA研制的“芯片级原子钟”(CSAC)项目具有体积小、重量轻、功耗低等突出特点,以此为代表的微型原子钟将在军事领域得到广泛应用。

  在量子敏感器件等高新技术领域,空间冷原子钟的出现将为高精度时频系统、冷原子干涉仪和陀螺仪的研制奠定技术基础。未来,原子钟将在全球卫星导航系统、深空探测、引力波和其他基本物理常数测量领域中发挥重要作用。

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