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原子钟:计量时间的“千分尺”

来源:  发布时间:2022-05-20

文 张照星 唐东

 

太空浩瀚,斗转星移;四季更替,草木枯荣。从古至今,人们都能清晰感知到时间的流逝。

为了准确计量时间,随着时代发展,时间计量工具在不断更新换代,从日晷、沙漏、水钟,到机械钟、石英钟,再到原子钟,精确度越来越高。如果说日晷、沙漏、水钟是“鲁班尺”,那么机械钟、石英钟就是“卷尺”,原子钟则是“千分尺”。

原子钟的“前世今生”

20世纪30年代,科学家在研究原子和原子核的基本特性时发现,原子的振荡频率准确性非常高,从而产生了利用原子的振荡频率来制作时钟的想法。1948年,美国国家标准局利用氨分子的吸收谱线,建造了世界上第一台原子钟。但受多普勒效应影响,振荡器谱线太宽,其精确度并不比石英钟高。为此,美国物理学家拉姆齐在1949年提出分离振荡场的方法,大大提高了精确度。

1955年,英国皇家物理实验室用铯元素唯一的稳定同位素铯-133原子,成功研制出第一台铯束原子钟,开创了实用型原子钟的新纪元。到20世纪末,科学家们对原子钟的使用条件进行严格规定,并通过使用激光冷却和原子俘获及更精密的激光光谱等技术,大幅提高了原子钟的精确度。

进入21世纪,科学家们不但在原子钟的准确度方面追求极致,还在原子钟的微型化和节能化方面狠下功夫。这使新一代原子钟实现了芯片级跃升,能耗也大大降低,从而在稳定性和精密性方面得到极大优化,并进入商业化推广阶段。

原子钟一般运用在对时间精确度要求比较高的系统上。比如卫星导航系统,它主要利用测量时间来测距,最后达到导航定位的目的。时间测量,则主要依赖于卫星和地面站放置的原子钟。原子钟如同卫星导航系统的“心脏”,其精准直接影响卫星定位、测速和授时精度。

卫星上常用的铷原子钟,可做到几十万年只差1秒。即使如此之高的时间精度,也会让卫星导航系统产生数米的定位误差。据测算,目前精度最高的原子钟——光钟,运行300亿年误差只有1秒。如果技术条件允许,将光钟放到卫星上用于导航,即使你去火星“旅游”,拿着手机导航,定位误差也不会超过1米。

随着科技发展,我们对时间精确度要求越来越高。比如在卫星导航系统中,1秒的时间误差会导致30万公里的位置误差。假如未来某一天可在星际间穿越,哪怕是万分之一秒的误差,都会上演“星际迷航”。因此,创新发展原子钟永无止境。

 

原子钟的工作原理

 

原子由中心的原子核及在核外沿特定轨道运行的电子组成。每个电子都有属于自己固定的飞行轨道,当最外层电子从一个轨道跳变到另一个轨道时,能量就会发生改变,需要吸收或释放电磁波。这个电磁波有一个确定的频率,而且非常稳定。根据现在电子表原理,只要我们掌握了某种原子超精细能级之间所对应的电磁振荡频率,就可用来精确计时了。所以,科学家用原子作节拍器,保持时间的高精度。

如何利用这个稳定的电磁波作为时间计量的钟?科研工作者们针对不同原子,研究出了不同对策。对于导航卫星上装载的铷原子钟,首先将铷原子团“囚禁”在一个密闭的真空气室里,并用波长780纳米的光照射它,铷原子的最外层电子吸收光场的能量,跳变到另一个轨道,并自辐射到第三个轨道。当所有铷原子都完成这一步骤后,便不再吸收光子,也无法观察到原子自发辐射产生的荧光了。之后,再用一个6.8吉赫兹的微波去照射这群原子,让第三个轨道的电子重新回到第一个轨道。这时,可观察到铷原子重新吸收780纳米的光子,并自发辐射出荧光。利用观察到的荧光强弱,反馈回去纠正微波信号,就可得到高度稳定的微波频率。这就是铷原子钟的工作原理。

地面上常用于时间保持的铯原子钟,则完全采用不同策略。原子外层电子如果处在不同轨道,就会具有不同的磁矩,在非均匀磁场中,将会受到不同大小的磁力。先将铯原子加热成气体,并让其穿过一个小孔变成铯原子束,然后再穿过一块特定的磁铁,处于不同轨道的原子就会发生不同角度的偏转。这时,用一束9.2吉赫兹的微波去照射这些原子,让某一特定角度偏转的原子实现轨道跳变,最后再通过一个特定方向的磁铁,让发生跳变的这一部分原子刚好穿过另外一个小孔,并用传感器去探测这一部分原子的数目,将其转换成电信号,反馈回去控制微波源的频率,得到稳定频率的微波信号。

有了这些稳定频率的微波信号后,人们可通过电磁学手段,将其转变成标准频率,供科研、通信、工业等领域使用。也可利用电磁学手段,将这个频率信号转换成一系列间隔为一秒的脉冲信号,进而变为我们熟悉的时间信号“时、分、秒”进行输出。这样,我们就拥有了一台原子钟。

随着激光等技术手段的不断成熟,除了传统的铷钟、氢钟、铯钟之外,还涌现出离子钟、冷原子喷泉钟、光钟等新型原子钟,精确度指标也在不断刷新。目前,最好的光钟精确度指标已进入1019量级。

 

无处不在的原子钟

 

听起来高深莫测的原子钟,其实离我们并不遥远,已融入我们的生活。

除了定位导航外,原子钟还被应用到全世界的时间保持和授时服务上。比如,我们所熟知的北京时间,就是全世界150多台原子钟共同守时并加权平均后的结果。各种物理学常数的测定,还有电力系统、通信系统,也都离不开高精度的原子钟。否则,电网调节时间出现偏差,可能会导致电机故障;各地交通体系时间有差异,可能会造成交通事故。

如今,电信公司以数据包的形式来传输语音,这使他们能在同一时间通过电话线传输大量语音。当你给另一个城市的人打电话时,你的语音会被分解并在两端计算机之间传输。一个对话与另一个对话之间会来回往复,每秒钟可达数千次。然而,要实现这一切,两台计算机必须保持完美同步,不然通话就会变得很混乱,听起来像是胡言乱语。这就是现在电信公司都配有原子钟的原因——计算机之间时刻保持完全同步。

电影里,大战前夕,指挥员们总会表情严肃地凑到一起,伸出手腕对表,以便统一行动。但在现代战争中,各个作战系统“对表”,就得依靠原子钟。

随着现代战争发展,精准的时间系统成为网络战的关键,时频体系是一个国家的国防基础。而原子钟作为目前世界上最准确的时间获得和测量工具,属于一个国家的战略资源,尖端武器、航天系统、导弹与火箭的发射及跟踪,都离不开它。比如要想提高制导武器命中率,就必须提高计时的精确度。否则,就会出现“差之毫厘,谬以千里”的后果。可以说,离开了高精度的时间计量,目前绝大多数的精确制导武器将会形同虚设。

在联合作战方面,未来无人作战系统或空天一体化作战网络中,所有作战设备都需要高精度时间同步。卫星、飞机、导弹、地面雷达、舰船等装备,都需要一个高精度本地时钟——原子钟,并通过电磁波或光纤实现时间同步。只有这样,才能提高探测、预警和打击精度,同时提高联合作战效率。

未来的深空探测、太空战等,都离不开远距离定位导航,这也将对原子钟的指标提出更高要求。

(文章转载自《解放军报》。责编:杨思玄)


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2022年6月

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