中国空间冷原子钟定时世界:3000万年误差1秒

2016年09月24日10:35  来源:人民网-人民日报海外版
 
原标题:中国空间冷原子钟定时世界:3000万年误差1秒

  伴随着“天宫二号”的发射升空,一台“长相”与我们日常所用的钟表完全不同的黑色圆柱体——空间冷原子钟来到太空开始履行自己的使命。这台由中科院上海光学精密机械研究所研制的“定时神针”会实现约3000万年误差1秒的超高精度,是国际首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,也是目前在空间运行的最高精度原子钟。那么,它是怎样达到这样的超高精度的呢?它又是用来干什么的呢?

  ① 超高精度的“高冷”钟

  空间冷原子钟是在地面喷泉原子钟的基础上,科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合的喷泉冷原子钟,主要包括物理单元、微波单元、光学单元和控制单元4个组成部分。相比于之前太空运行的最高精度300万年误差1秒的热原子钟,这只冷原子钟将时间精度提升了10倍。

  中国科学院上海光机所量子光学重点实验室主任刘亮介绍说,如果说机械表1天差不多有1秒误差,石英表10天大概有1秒误差,氢原子钟数百万年有1秒误差,那么这台冷原子钟则可以做到3000万年误差1秒。

  空间冷原子钟达到超高精度的秘诀主要在于“高、冷”:一方面得益于太空中“天宫二号”的“微重力”环境;另一方面则因为其自身的“冷”。

  在微重力环境下,原子团可以做超慢速匀速直线运动,基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息,从而可获得更高精度的原子钟信号,实现在地面上无法实现的性能,这是原子钟和时间基准发展历史上的重要突破。

  此外,利用激光冷却技术,原子气体被冷却至极低的温度,则极大地消除了原子热运动对原子钟性能的影响。

  “就像你坐在房间里,虽然看不见原子或分子,但里面的原子或分子都在运动,运动就会产生热,便是热原子。冷原子技术则是用激光的方法将原子温度从室温降低到接近绝对零度。对这些几乎不动的原子进行测量,结果会更加准确。”刘亮解释道。

  ② 应用广泛的实用钟

  空间冷原子钟可以在太空中对其他卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,从而避免大气和电离层多变状态的影响,使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。同时冷原子技术的发展大幅度提高了许多实验的精度,使原来不可能进行的实验成为可能。

  比如在开展深空导航定位方面,若是能在空间合适的位置放置高精度原子钟,就可以实现大尺度的高精度导航。刘亮说:“最合适的位置是太阳系中的各个拉格朗日点,因为这里不受引力的影响。若在这些点上各放置一台高精度原子钟,则至少可以在太阳系内较大范围中实现准确的定位。这一旦实现,就可以进行大尺度时空研究。”

  同时,空间冷原子干涉仪可以取代空间激光干涉仪,实现在轨引力波探测。以往采用激光干涉仪探测引力波,需要两个臂,这就意味着所有的方案都必须要有3个位置,也就是需要3颗卫星。目前中国实施空间引力波探测的“太极计划”和“天琴计划”都需要3颗卫星,而空间冷原子干涉仪只需要两颗卫星就能探测引力波,技术难度和成本都有所降低。

  另外,空间冷原子钟还可以测量引力红移。根据广义相对论,时间没有一个统一的概念,在不同引力场里面,时间是不一样的。“如果我们天上有个原子钟,地面也有个原子钟,都很准确,那么一比较就知道,时间相差多少,然后利用这个时间差就可以测量引力红移。”刘亮说。

  ③ 计时工具的新变革

  原子钟使计时精度飞速发展,而空间冷原子钟更是人类计时史上的革命。

  在历史长河中,人们对于时间一直有自己的判断和计量方法,日晷、水钟、沙漏等计时装置标志着人造时钟开始出现。

  随着钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器的出现,人们发明了真正可持续运转的时钟,如摆钟。在此基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表,计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平。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应用在电子计时器和其它各种计时领域,至今,还是主要计时工具之一。

  20世纪40年代开始,科学家发展出比晶体钟更高精度的原子钟,并在此基础上研制出喷泉冷原子钟。

  2016年,经过科学家们近10年努力,中国第一台空间冷原子钟研制成功并随“天宫二号”进入太空开展任务工作,不仅为各种量子敏感器奠定技术基础,而且将在一系列重要领域作出贡献。

  “未来可能出现更精准的原子核钟,”刘亮说,“我们终极目标是制造出在宇宙的生命周期内永不会走偏的时钟。”崔馨月

(责编:许荩文、陈露露)