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一秒有多长?

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一、为什么需要提高时间测量精度
  在文明进步和科学技术发展的历史长河中,人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置,到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表,再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟……那么,21世纪人类社会已经步入信息爆炸时代,对时间测量精度的要求到底高到了什么地步?
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当前地面上投入使用的最准确的原子钟误差已经降到万亿分之一秒/天。如此高精度的计时需求,人们也许是感觉不到的,生活中,貌似一只误差百分之一秒/天的手表就足够用了。但事实上,当计时器的误差超过千分之一秒/天时,人们现在每天赖以生存的电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就都将陷入混乱;当误差超过十亿分之一秒/天时,卫星导航定位、船只远海航行、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标,而诸如开展深空探测、引力波探测、精细结构常数测量、广义相对论验证等等对时间精度要求达到极致的科学研究活动就更不要提了。
  正因如此,全世界数十个实验室就建立了几百台高精度原子钟,它们共同组成了世界通用标准时间系统,该系统由国际计量局负责保持,通过网络、电话、长波、短波、电视等各种通信手段为大众提供授时服务。其中,卫星导航系统已成为高精度授时服务的主要手段。目前,制约卫星导航系统精度的主要因素是星载原子钟的精度和大气层对空地信号同步比对过程的影响,因此,发展空间超高精度原子钟,提高空间计量守时精度,对全球导航定位系统、基础物理研究、深空探测等方面都具有非常重大的应用价值。

二、什么是原子钟
  原子钟是科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点,发展出的比晶体钟更高精度的计时装置。1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义:“1秒为铯原子(133Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。自从有了原子钟,人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,20世纪末达到了10-14量级,即误差约为百亿分之一秒/天,在此基础上建立的全球定位导航系统(例如美国GPS、中国的北斗),覆盖了地球98%的表面,将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。

近30年间,随着激光冷却原子技术的发展,利用激光冷却的原子而制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高,到目前为止,地面上精确度最高的冷原子喷泉钟精度已经达到了10-1 6量级,误差小于万亿分之一秒/天,而更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。总而言之,原子钟的发展使“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量,通过各种物理转化,可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度,是现代物理计量的基础。

三、空间冷原子钟与地面冷原子钟有何不同
  在地面上,由于受到重力的作用,自由运动的原子团始终处于变速状态,宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动,这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。而在空间微重力环境下,原子团可以做超慢速匀速直线运动,基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息,从而可以获得更高精度的原子钟信号。可以预期,空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。

  最近,中科院上海光机所的科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合,发展出空间超高精度冷原子钟,研制的“空间冷原子钟”实验样机计划于2016年9月搭载天宫二号发射升空,这将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”,有望在空间轨道上获得较地面上的线宽窄一个数量级的原子钟谱线,从而提高目前空间原子钟的精度,这将是原子钟发展史上又一个重大突破。

四、“空间冷原子钟”上天:究竟要做啥?
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  “空间冷原子钟”将在轨开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、原子慢速抛射、超冷原子与微波相互作用、冷原子钟信号产生与传递、高精度光电自动时序控制等前沿科学实验。这是人类首次在太空中开展这些实验,可以为未来在超高精度时间基准有重大需求的空间科学实验和工程应用等的开展奠定基础。
  空间冷原子钟由物理单元、微波单元、光学单元和控制单元组成,每个单元都有非常高的技术指标,其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度(μK量级)的超冷原子团,然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向慢速抛射,而在空间微重力环境下,原子团可以做超慢速均速直线运动。而处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔,与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态,通过测出处于两种量子态上的原子数比例,获得原子跃迁几率,改变微波频率可以获得原子钟的信号谱线-Ramsey条纹。预计微重力环境下所获得的Ramsey中心谱线线宽可达0.1 Hz,比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级,利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得超高精度的时间频率标准信号。
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五、“空间冷原子钟”的好处
  空间冷原子钟本身具有极高的精度,同时在太空中对其它卫星上的星载原子钟又可以进行无干扰的时间信号传递和校准,避免了大气和电离层多变状态的影响,从而使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

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空间冷原子钟应用于全球导航空位系统示意图
  空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础,并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。

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空间冷原子钟的应用前景示意图

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