误差最小的钟表
2017-09-04 14:33:58    《中国中学生报》 人参与 0评论
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  伴随着天宫二的发射升空,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“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的原子钟。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?
  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。
  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。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。
  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,广泛应用在电子计时器和其他各种计时领域。至今,石英晶体钟还是主要计时工具之一。
  20 世纪40 年代开始,科学家发明了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,经过科学家们的努力,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做出贡献。
高峰

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