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揭秘“時間魔盒”原子鐘:三千萬年誤差小於一秒

2022年06月13日09:06 | 來源:中國青年報
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原標題:揭秘“時間魔盒”原子鐘:三千萬年誤差小於一秒

  時間是什麼?或許有人會低頭看看手表,說出當下的時刻。是的,時鐘會告訴我們時間,它是我們生活不可或缺的一部分。在確定時間起點之后,用世紀、年、月、日、時、分、秒來記錄時刻值,就好像一把尺子。

  當人類意識到時間的流逝,便開始利用周期性現象對時間進行追蹤。遠古時期,人類通過草木枯榮判定季節,通過觀察太陽、月亮在天空中的運動來判斷時間,日出而作,日落而息。后來,人們探索出了通過滴水來計時的水鐘,流沙計時的沙漏等。二戰后,美國國家物理實驗室研制出了世界上第一台原子鐘,但這個鐘需要一個房間的設備,復雜度過高,實用性不強,但代表了人類一個歷史性的跨越。1967年,秒長的定義溯源到了原子上。此后,各種原子鐘相繼問世,成了目前世界上最准確的計時工具,實用性也越來越高,能夠滿足多種場景的應用需求。

  原子鐘其實離人們日常生活很近。例如,原子鐘在衛星導航系統中發揮著“心臟”般的作用。衛星導航使人們的日常生活變得非常便捷,當我們拿出手機打開導航軟件,能夠看到自己的地理位置,輸入目的地,導航軟件能夠規劃路線,且實時告訴我們需要向左轉還是向右轉。這是如何做到的呢?

  我們先來看一下衛星導航與定位的原理。在三維空間中,建立坐標系,當已知3個點的坐標以及第四個未知點分別與已知點之間的距離,那麼未知點的坐標就可以被確定。同理,當我們在地球上仰望天空,至少能夠同時看到3顆衛星,衛星飛行在自己的軌道上,它的運行軌跡被編入星歷,同時接收3顆衛星發來的星歷,經過解算,可以知道衛星的位置。此外,還需要知道我們與衛星之間的距離,物理學知識告訴我們,距離等於速度乘以時間,光傳播速度是每秒30萬公裡,所以隻需要知道信號傳播時間就可以了。此時,我們發現,導航定位的關鍵便是時間的測量。

  這就需要原子鐘隆重登場了,每顆衛星及地面站裡都配備了一組原子鐘,時間信號隨星歷一同發送,在解算衛星位置的過程中,也能夠同時得到時間信息以及距離。這樣,我們的位置便可以被計算出來。

  日常生活中的手機等電子產品,通常內置了導航模塊,能夠實時接收衛星發射的信號並依據一定的算法進行解算。於是,便有了我們對自身位置的實時掌控。如果原子鐘提供的時間誤差在1微秒,那麼定位誤差將高達300米。如果要達到米量級的導航,在不考慮其他誤差因素的情況下,原子鐘提供的時間誤差需保持在3納秒。也就是說,時間的精密測量決定了導航定位的精度,如果沒有原子鐘,就無法實現准確導航了。

  原子鐘究竟有多准呢?讓我們來跟常見的機械手表、石英鐘對比一下。當我們帶著機械手表開著車,繞著北京四環跑1圈,大概1個小時吧,機械手表就偏差了1秒﹔對於石英鐘來說,偏差1秒差不多需要270年,也就是說,假如我們帶著一塊石英鐘回到清朝,在乾隆下江南偶遇夏雨荷時送給她,那麼,到2022年的今天,這塊表隻偏差了1秒﹔原子鐘偏差1秒需要多久呢,3000萬年!假如我們送給地球上最后一隻霸王龍一台原子鐘,那麼到今天,這台原子鐘隻偏差了2秒。

  放眼元素周期表上100多種元素,適合研制原子鐘的隻有10余種,而這些原子,又有著不同的脾氣與秉性,需要被小心翼翼地區別對待。因此,抓住原子之后呢,科學家還要保証它們不被外界磁場、電場、溫度變化等打擾。一台原子鐘的復雜程度也許會超出人們的想象,可能會用到數十顆螺絲釘,數百個電子元器件,經過上千次測試驗証,凝結著無數科研工作者的心血。

  浩瀚宇宙中藏著未知的秘密,我們渴望知道黑洞裡面是什麼樣子,我們渴望看到引力波的痕跡,我們也渴望與地球外的生物對話,這些對未知的向往,使人類從未停止對時間頻率測量精度的追求,原子鐘精度的紀錄還在被不斷刷新。一台台服務生活的原子鐘,是航天事業工作者不懈努力的結果,是繼續前進的動力,更是航天精神的映照。(朱璽 中國航天科工二院203所設計師 )

(責編:木勝玉、朱紅霞)

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