首页English
  • 时政
  • 国际
  • 时评
  • 理论
  • 文化
  • 科技
  • 教育
  • 经济
  • 生活
  • 法治
  • 军事
  • 卫生
  • 健康
  • 女人
  • 文娱
  • 电视
  • 图片
  • 科普
  • 光明报系
  • 更多>>
  • 报 纸
    杂 志
    光明日报 2022年05月07日 星期六

    锶原子光晶格钟:35亿年不差一秒

    作者:本报记者 陈海波 《光明日报》( 2022年05月07日 01版)

      【晒晒咱的国之重器27】

      逝者如斯夫,不舍昼夜。对于两千多年前的古人来说,时间就是昼夜交替。对于今天的科学家而言,时间是原子的“跳动”。

      在中国计量科学研究院,有一种特殊的计时设备——锶原子光晶格钟。它以锶原子的跃迁频率作为时间计量标准。而且,可以把时间测量的准确度提高到35亿年不差一秒。

      时间这么精确有什么用?大有用处!而且,科技越发展,用处越大!

      就拿已深入每个人生活的全球卫星导航系统来说,精密时间测量发挥了重要作用。导航系统需要多颗导航卫星组网运行,每颗卫星上都放置有特殊的高准确度的钟,将时间发送到地面。科研人员根据接收到不同卫星信号的时间差和坐标,计算出地面的具体位置。在这个过程中,时间越精确,时间差的测量误差就越小,定位的准度就越高。

      中国计量院时间频率研究所所长房芳告诉记者,高精度的时间测量还在5G通信、航天发射和测控、智慧城市等领域有着不可替代的作用。

      不过,要实现高精度的时间测量,并不容易。在很长的历史里,人类计时一直用的是天文秒。就是将地球自转的周期等分为86400份,据此得到秒长。天文秒取决于地球运动的周期,会随地球运动速率的变化而变化,不够稳定,这自然也会影响其准确度。

      随着量子物理的发展,科学家发现某些量子现象的稳定性远远优于天文现象,非常适合作为时间频率基准,于是提出原子秒,并将其定义到铯-133原子跃迁频率上,即铯-133原子振荡91亿9263万1770次为1秒。中国计量院研制的铯原子喷泉钟,准确度达到6000万年不差一秒。

      铯原子喷泉钟属于微波钟,它采用的是原子跃迁吸收微波波段的频率。“而锶原子光晶格钟的光学频率比微波频率更稳定,稳定度提高后,准确度也相应会提高,因此其准确度可以高几个量级。”房芳解释,这种基于光学频率的原子钟又被称为光钟。

      中国计量院从2005年开始自主研制锶原子光晶格钟,并不断改进,相对频率准确度目前可达到10-18秒,相当于35亿年不差一秒,未来还可能提高到上百亿年不差一秒。

      目前,科学界正在探讨未来进一步修改秒的定义的方案,使时间测量更精准。锶原子光晶格钟等光钟,频率更稳定,测量的结果也更准确,为进一步修改秒定义提供了现实可能性。

      当然,光钟更加直接的作用,是作为时间频率计量的基准。钟表走得快了还是慢了,必须有一个最终的参照,光钟就承担这样的角色。

      光钟还可以用来探测引力波。引力波出现时会改变引力势,而引力势会改变光钟的频率。光钟的准度越高,越有利于探测引力波。此外,光钟在验证相对论、检验物理常数变化、发现暗物质等前沿物理领域都可以发挥重要作用。

      逝者如斯夫,我们的科研人员正在为实现更精准的时间测量而不舍昼夜地工作着。

      (本报记者 陈海波)

    光明日报社概况 | 关于光明网 | 报网动态 | 联系我们 | 法律声明 | 光明网邮箱 | 网站地图

    光明日报版权所有