逝者如斯夫,不舍晝夜。對(duì)於兩千多年前的古人來(lái)說,時間就(jiù)是晝夜交替。對於(yú)今天(tiān)的科學家而言,時(shí)間是原子(zǐ)的“跳動”。
在中國計量科(kē)學研究院,有一種特殊的計時設備——鍶原子光晶格鍾。它以鍶原子的躍遷頻率(lǜ)作為時間計量標準。而且,可以把時間測量的準確度提高(gāo)到35億年不差一秒。
時間這麽精(jīng)確(què)有什麽用?大(dà)有用處!而且,科(kē)技越發展,用處越大!
就拿已深入每個人生活的全球衛星導航係統來說,精密時間測量發揮了重(chóng)要作用。導航係統需要多顆導航衛星(xīng)組(zǔ)網運行,每顆衛星上都放置有特殊(shū)的高(gāo)準確度的鍾,將時間發送到地麵(miàn)。科研人員根據接收到不同衛星信(xìn)號的時間差和(hé)坐標,計算出地(dì)麵的具(jù)體位置。在這個過程中,時間越精確,時(shí)間(jiān)差的測量誤差就越小,定位(wèi)的準度就越高。
中國計量(liàng)院(yuàn)時間頻率研究(jiū)所所長房(fáng)芳告訴記者,高精度的時間測量還(hái)在5G通信(xìn)、航天發射和測控、智慧城(chéng)市(shì)等領(lǐng)域有著不可替代(dài)的作用。
不過,要實現高精度的時間測量,並不容易。在很長的曆史裏,人類計時一(yī)直(zhí)用的是天文秒。就是將地球自轉的周期等分為86400份,據此得(dé)到秒長。天文秒(miǎo)取決於地球運動的周(zhōu)期,會隨地球(qiú)運動速率的變化而變化,不夠穩定,這自然也會影響其準確度(dù)。
隨著量子物理的發展,科學家發現某些量子(zǐ)現象的穩定性遠遠優於天文現象,非常(cháng)適合作為(wéi)時間頻率基準,於是提出原子秒,並將其定義到銫-133原子躍遷頻率上,即銫-133原子振蕩91億9263萬1770次為1秒(miǎo)。中國計量院研製的銫原子噴泉鍾,準確度達到6000萬(wàn)年(nián)不差一秒。
銫原子噴泉鍾屬於微波鍾,它采用的是原子(zǐ)躍遷吸收微波波段的頻率(lǜ)。“而鍶原子光晶格鍾的光學頻率比微波頻率更穩定,穩定度提高(gāo)後(hòu),準確度也相應會提高,因(yīn)此其準確度可以高幾(jǐ)個量級。”房芳解釋,這種基於光學頻率的(de)原子鍾又(yòu)被稱為光鍾。
中國計量院從2005年開始自主研製鍶原子光(guāng)晶格鍾,並不斷改進,相對頻率準確度目前可達(dá)到10-18秒,相當於35億年不差一秒,未來還可能提高到上百億年不差一秒(miǎo)。
目前,科學界正在探討未來進一步修改秒的(de)定義的方案,使時(shí)間測量更(gèng)精準。鍶原子光晶格鍾等光鍾,頻(pín)率更穩定,測量的結果也更準(zhǔn)確(què),為進一(yī)步修改秒定(dìng)義提(tí)供了現實可能性。
當然,光鍾更加直(zhí)接(jiē)的作用,是作為時間(jiān)頻率計量的基準。鍾表走得(dé)快了還是慢了,必須有一個最終的參照,光鍾就(jiù)承擔這(zhè)樣(yàng)的角色。
光鍾還可以用來探測引力波。引力波出現時會改變引力勢,而引力勢會改變光(guāng)鍾的頻率。光(guāng)鍾的準度(dù)越高,越有利於探(tàn)測引力波。此外,光鍾在驗證相對論、檢驗物理常數變化(huà)、發現暗物質等前沿(yán)物(wù)理領域都可以發揮(huī)重要作用。
逝者如斯(sī)夫(fū),我們的科研人員正在為實(shí)現更精準的時間測(cè)量而不舍晝夜地(dì)工作著。(來源:《光明日報》2022年05月07日(rì) 01版 作者:陳海波)
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