作者:李晨阳 黄辛 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/9/15 16:01:42
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空间冷原子钟为“群星”校时


 

“戴着两块手表的人,并不能知道准确的时间”。要知道准确的时间,这两块手表必须同步到一个时间基准。太空中卫星上的星载原子钟通常由地面的基准钟校准,但大气和电离层的影响使得同步精度受到限制,这对卫星导航系统的精确和稳定都很不利。

那么,人们是否有办法更准地校准这些星星戴的“表”呢?

在此次发射升空的天宫二号空间实验室上,还真就有这么一台“空间冷原子钟”。它是目前在空间运行的最高精度的原子钟。有了它,就能对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准。

这台由中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”可不简单。它是一个“吃螃蟹”的先驱——在国际上首次实现了在轨运行并开展科学实验。

“空间冷原子钟”到底有多准呢?据悉,它有望实现10-16量级的超高精度(约3000万年误差1秒),将目前人类在太空中的时间计量精度提高1~2个数量级。

要理解这个数据,我们得从钟表的发展历程说起。早期的机械钟表,最高精度能达到10-8量级,误差为1秒/年。这对人们的日常生活而言,基本上够用了。但是,随着人类活动的扩展和科学技术的进步,总有一些领域需要更加精准的计时方式。

于是,晶体钟、原子钟等纷纷出现。技术的革新甚至重塑了人类的“时间观”。1967年的第13届国际计量大会上,人们对“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9,192,631,770个周期所持续的时间”。

原子钟已经相当准了,早在20世纪末,其精度就达到了10-14量级。但是,在原子经激光冷却后制成的冷原子钟,还能更准。

我们现在所说的“空间冷原子钟”,就是把激光冷却原子技术和空间微重力环境结合起来的产物。事实上,这种结合几乎是必然的,因为在未来的空间科学实验和工程应用中,对超高精度时间基准的需求会越来越显著。

这样一台超精准的时钟,对普通人而言可能只是“屠龙之技”,但在空间科学的领域,却恰恰能大显身手。随着天宫二号的升空,它将开展一系列首次在太空中进行的前沿科学实验,包括:激光连续稳频输出、激光冷却原子、冷原子慢速抛射、冷原子与微波相互作用、冷原子钟闭环运行等。

除此之外,“空间冷原子钟”实验项目的成功,还将为空间超冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等应用奠定技术基础,并且在深空探测、引力红移、引力波探测、基本物理常数测量等一系列重大技术和基础科学发展方面做出重要贡献。空间冷原子钟实验分系统首席科学家,中科院院士王育竹告诉《中国科学报》记者,空间冷原子钟实验是中国原子钟研究发展中的重要一步,我们国家拥有一支非常优秀的冷原子钟、冷原子物理研究队伍,相信在不久的将来,我们会看到更多、突破极限的创新成果不断诞生。

 
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2016/9/16 14:18:51 dongsiom
祝贺上光所的辉煌成就!王先生、刘亮老师的愿望实现了.
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