它是太空里最精准的“钟”可以重新定义时间

科技 2022-11-05 08:33:45
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本文转自:钱江晚报

梦天实验舱里有一个中国制造的独门秘器

它是太空里最精准的“钟”

可以重新定义时间

梦天实验舱里有一个中国制造的独门秘器

它是太空里最精准的“钟”

可以重新定义时间

北京时间10月31日15时37分,长征五号B遥四运载火箭托举梦天实验舱升空。与梦天实验舱一同送入太空的,有一个高性能“光原子钟”(也称光钟)。中国也有望建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。

这其中,就有来自浙江的最新科研成果。本期,我们邀请国科大杭高院的相关专家,为大家揭开这个太空里走得最精准的光钟秘密!

你听到的“北京时间”

其实不在北京测量

同学们每天都能听到广播电视里播报“北京时间”。大家可能以为,这个时间是在北京的某个时钟上显示的数字。

其实并不是!全国人民都一起校准的这个“北京时间”,来自于陕西省西安市临潼区中国科学院国家授时中心。它是如何计算这个标准时间的呢?

这就要说到我们是如何计时的了。一秒钟到底是多长?从前,人类只能通过太阳东升西落,来定义“一天”。然后我们把一天分成24小时,一小时60分钟,一分钟60秒。然而,这样定义的一秒,并不准确,因为地球自转时快时慢。

1927年,石英钟的出现,大大提升了钟表的精确度。因为把石英晶体通上电流,它就会以每秒钟32768次的频率震动。用石英的震动来带动指针,就能得到比较精确的“一秒”。英国的格林尼治天文台,当年就是用石英钟来得到标准时间的。但这个时间依然会有误差,大约每一千天误差一秒。

同学们或许会觉得,这个误差够小了。然而对于精密的科学计算和太空研究来说,这个误差还是太大了!我们必须找到更加精细和稳定的周期运动才行。

微观世界的“神钟”

重新定义“一秒”

时间到了上世纪50年代,科学家终于在微观领域发现了一个天然稳定的“神钟”:电子跃迁频率。

“这个概念,大家在中学物理课中也学到过。电子在绕着原子核运动时,会运行在不同的轨道上,这些轨道被称为‘能级’。”国科大杭高院引力波宇宙太极实验室(杭州)特聘副研究员梁新栋告诉钱报记者。

这就好像高速公路上不同车速的车道一样。一个电子如果“变道”,就叫“跃迁”。“从低能级到高能级跃迁是需要吸收电磁波的,反之就会发射电磁波。”对于同一种元素来说,电子跃迁所释放或吸收的电磁波频率是固定的,这不就是一个绝妙的计时器吗?

因此,在1967年,国际计量大会重新定义了“一秒钟”:它是铯133原子基态的两个超精细能级间,跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间!

1秒钟能“滴答”91亿多次,这就是传说中的“原子钟”!除了铯原子,还有氢原子、铷原子等各种不同的原子钟。到此为止,测量时间的误差已经到了几百乃至几千万年才差一秒了。

但这还没完!我们今天真正的主角还没有出场呢。1995年,科学家又利用激光冷却和囚禁原子的方法,制造出了“冷原子光钟”。

为啥要把原子“囚禁”起来?“因为原子是在不停热运动的,对它的测量会产生误差。”梁新栋说。

所以,要想办法让它别动!在通过一番高科技手段“囚禁”原子以后,如何测量它的电子跃迁频率呢?“我们把一束激光打在原子上,使得这束激光的频率刚好等于原子的电子跃迁频率。这束激光就相当于光钟的‘指针’了。”

光钟把时间测量的精度再次提升了。理论上,它走几亿甚至几十亿年才会误差1秒。这就是梦天实验舱上装备的利器。它是世界上第一套飞上太空的冷原子钟组,并且所有模块都是中国制造。

把光钟塞进梦天实验舱

原来这么难

一台光钟是一套非常巨大的设备,这叫做“时频系统”,里面的复杂设备能塞满一个教室。就算是其中的一个“指针”,也能塞满一个实验机房。

光钟不仅体积巨大,对环境也特别敏感。电磁波、地球引力等都会影响到光钟的测量数据。

于是,把光钟放到太空里,就成了避免干扰的最好方式。但是那么巨大的东西,如何送上太空呢?这正是我们要挑战的最大难题。例如,经过3年多的努力,国科大杭高院的专家们,把原本几百公斤的窄线宽激光器,“塞”进一个小小的金属箱子里。

“从前我们在实验室里打造的激光器,很多组件是国外进口的现成产品。当我们要把它压缩尺寸送入梦天实验舱,就必须要完全自己重新打造了。最后的成品,是纯中国制造。”太极实验室副主任、研究员贾建军告诉记者。

不仅如此,它还要能扛得住火箭升空时巨大的加速度、震动,以及太空里的低温等各种恶劣环境。

“所以,我们不仅掌握了核心技术,还做了很大的提升,用在了空间站上。”贾建军说,“在这个过程中,我们更是带出了一支强大的人才队伍。”

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