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140亿年内误差不超过十分之一秒 原子钟让计时精度走向极限

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  根据原子物理学的基本原理,当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时,它便会释放电磁波。同一种原子的电磁波特征频率是一定的,可用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

  原子钟就是利用保持与原子的电磁波特征频率同步作为产生时间脉冲的节拍器。

  2020年底,《自然》杂志刊载了一篇来自美国麻省理工学院研究人员的成果报道,这些研究人员利用量子纠缠现象新设计出一种原子钟,如果运行约140亿年(大约是当前宇宙的年龄),该原子钟可将时间精度保持在十分之一秒之内。而在同样的时间框架内,此前最先进的原子钟偏差在半秒左右。

  自从人类意识到时间的流逝,就开始利用周期性现象进行追踪。在古代,人们是观察太阳、月亮在天空中的运动来判断时间的运行,随着科学技术发展,人类测量时间的手段也越来越先进。15世纪,依靠钟摆和发条组成擒纵机构诞生,成为现代机械钟表的核心,再后来又出现利用石英周期振动来计时的钟表。到后来,原子钟的出现成为人类计时史上的一次重大革命,它使得计时标准从天文学的宏观领域转向了物理学的微观领域,历史从此由“天文秒”时代进入“原子秒”时代,开启了人类时间测量的崭新阶段。人类对时间的测量和追踪正在越来越接近宇宙的本源。

  通过跟踪原子振荡来测量时间

  生活中常以分秒来计时,在当今太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等领域,越来越需要更精密的时间测量。时间常常被准确到万分之一秒,甚至百万分之一秒。为了达到要求,许多精密的计时器诞生,原子钟就是其中之一。

  原子钟是世界上已知最精确的计时仪器,采用了最准确的时间测量和频率标准,同时这一标准也被认为是国际时间和频率转换的基准,广泛应用于控制电视广播和全球定位系统卫星的信号传递。原子钟的研发涉及到量子物理学、电学、结构力学等众多学科,目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。

  根据原子物理学的基本原理,原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。当原子从一个“能量态”跃迁至更低的“能量态”时,它便会释放电磁波。这种不连续的电磁波的频率,就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的——例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。原子钟就是使用激光来测量原子的共振频率,从而实现精准计时。

  如果要追求近乎完美的时间测量,原子钟必须去跟踪单个原子的振荡。但是按照量子力学的规律:当被测量时,原子振荡的行为就像抛一枚硬币,只有在多次翻转中取平均值才能给出相对稳定的数值,这被物理学家称为标准量子极限。因此,今天的原子钟被设计用来测量由成千上万个相同类型的原子组成的气体,以便估算其平均振荡频率。

  尽管原子钟的类型有多种,但其背后的原理大致相同。目前最常见的原子钟使用的原子包括氢、铯、铷等碱金属原子。但元素周期表中有100多种元素,为何科学家偏偏对这几种原子情有独钟?

  这是因为碱金属原子内部只有一个价电子,理论模型相对多价电子体系较为简单。科学家在长期实验中发现,碱金属原子中铯原子钟又最为稳定,误差可低至每2000万年1秒的水平。

  据了解,铯原子钟使用铯原子束,通过磁场将能级不同的铯原子分离该时钟将高稳定性铯振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机结合在一起,使铯振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上,提高了频率信号的长期稳定性和准确度,能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准,是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。

  氢原子钟将氢原子保持在四周由特殊材料制成的容器中,从而使氢原子保持所需的能级,而不至于太快失去其较高的能量状态,但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起其输出频率的变化,从而导致氢原子钟长期性能变差,为了减小这些影响,可借助自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上,并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。

  铷原子钟是所有原子钟中最简单也最紧凑的一种,它使用装有铷气的玻璃腔,铷气在周围的微波频率恰到好处时,就会按照铷原子的振荡频率改变其光吸收率。铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上,输出频率几乎没有漂移,性能与铯原子钟相近,而且不存在铯原子钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。

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