據英國《泰晤士報》報道(dào),科學家(jiā)們目前已經成功地研製出了新一代的激光時鍾,這種時鍾計時極其精準,在20億年時間裏幾乎不會產生1秒的(de)誤差。這種迄今計時最為精準的激光時鍾未(wèi)來可應用於衛星導航(háng),其在追蹤地(dì)麵移動目標時精度可(kě)以(yǐ)保持在1米以內(nèi)。
科學家們設計製造的這種(zhǒng)新型時鍾以激光作為測量參考,能夠使得20億(yì)年的時間誤差不超過1秒。未來,這種新型時鍾可以廣泛應用在地麵衛星導航上,將使(shǐ)得汽車自動駕駛成為可能。在技術應用成熟後,甚至可以實現無人駕駛的飛機精準著陸(lù)。在取(qǔ)得上述成就後,美國(guó)、英國、德國、法國和日本等多個國家的科學(xué)家還準備在這一研究領(lǐng)域繼續展開競賽,以便能夠設計(jì)製(zhì)造出更加精準的時鍾。他們的目標就是將時鍾的時間精準到自137億年前宇宙大爆炸(zhà)以來分秒(miǎo)不差。科學家們相信十年內這種時鍾必將實現。由於這(zhè)種新的時鍾是采用激光來測量和同步(bù)原子振(zhèn)動頻率,因此它們通常(cháng)也被(bèi)稱為光學時鍾。通過這種技術,時鍾將可以把時間分成更小的分量。
此前,世界上最為先進的時鍾是由美國國家標準與(yǔ)技術研究所所(suǒ)研製。它通過測(cè)量水銀離(lí)子中電子的(de)振動(dòng),可以保持17億年的(de)精確運行而分秒無差。以前最為精確(què)的計時設備是(shì)原子鍾,可以實現8000萬年精確度誤差在一秒之內。對比(bǐ)之下,一隻普通的手表一個(gè)月內會誤差(chà)大約15秒。位(wèi)於法國巴(bā)黎的國際度量衡委(wěi)員會計(jì)劃到2020年(nián)實現用光學時鍾取代原子鍾。該委員會負(fù)責時間與頻率的執行秘書伊莉斯-阿裏亞斯介紹說,“光學時鍾代表著時鍾的未來,這(zhè)是一項非常振奮人心的(de)發明。到2015年,我們將取得(dé)階段性成果。”光學時鍾最重要的(de)用途將可能是全球衛星定位係統,用(yòng)於跟蹤飛機、艦船和汽車等。全球衛星定位係統接收由衛星發出的微波信號,主要是通過測量信號開始抵達的時間(jiān)進行同步,可以將地麵的某一物體鎖定(dìng)於10米範(fàn)圍之內。
科學家們相信,如果在衛星上(shàng)安裝有光學(xué)時鍾,他們就可以將目標定位於1米範圍(wéi)之內。這種精度可以用於汽車或飛機的自動駕駛。當然,除了這些外,科學家們對於光學時(shí)鍾的用途還(hái)有更高的期望。他們(men)希望光學(xué)時鍾能夠幫助他們檢驗物理學的基本(běn)定律。美國國家標準與技(jì)術研究所物理學家蒂爾-羅森邦德認為,“光學時鍾還可以用於檢測宇宙(zhòu)的基本屬性。我們甚至還可以依(yī)靠這種(zhǒng)精度(dù)發現物理學(xué)領域基本定律的變(biàn)化。”根據量子物理(lǐ)學的基本原理,原子(zǐ)是按照(zhào)不同電子排列順序(xù)的能量差,也就(jiù)是(shì)圍繞在原子(zǐ)核周圍不同電子層的能量差,來吸收或釋放電磁能量的。這裏電磁能量是不連續的。當原子從一個“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態”時,它便會釋放電磁波。同一種原(yuán)子的共(gòng)振頻率是一定的?例如銫133的(de)共振頻率為每秒9192631770周。因此銫原子就可以用作一種節拍器來保持高度精確的時間。
普通(tōng)鍾表在測(cè)定時間時必須依靠固定的振動頻率,機械表的擺輪頻率每秒5次或6次,音叉(chā)鍾的頻率每秒幾百至幾千次。石英鍾表的振動頻率是由微小的石英片的振動產生的,其固(gù)定振(zhèn)動頻率每秒32000次。銫原子鍾振動頻率高達9.19×109次。振動頻率越高,計時就會越精確。1967年(nián),由於原子鍾的研究取得了巨大的進展,人們開始重新(xīn)給秒確定定義,即按照銫原子的振蕩頻率來(lái)製定。今天的原(yuán)子鍾的精度可以達到每10萬年誤差不超過1秒。2001年(nián),美國國家(jiā)標準與技術研究所首次利用激光代替微波研製出第一個光學時鍾。2004年,英國(guó)國(guó)家物理實驗所的科學家對這種光(guāng)學時鍾進行了(le)改進。2008年,美(měi)國國家標準與技術研究所再次研製出一種新型光學時鍾,比當時(shí)最先進的原(yuán)子鍾(zhōng)精準了21倍。