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      天宫二号|放在太空中一只特别准的钟

      发布日期:2017年11月19日 16:00   来源:66科技网




      中国真正意义上的空间实验室“天宫二号”即将发射,它是中国空间站的前身,为建造更为复杂的空间站做准备工作。在这个太空实验室里,中国科学家将开展10多项科学实验和观测,大多数是当前世界最前沿的探索领域。


      “我报道”近日起陆续推出科普文章,为你介绍都有哪些“不明觉厉”的实验登上了“天宫二号”。


      作者: 杨春雪 喻菲


      漫画:贺萌


      没有钟摆,也没有秒针走路的滴答声,一只“长相”完全不符合人们对钟的预期的黑色圆柱体将搭乘天宫二号空间实验室来到太空,成为人类历史上第一台在轨进行科学试验的空间冷原子钟。

      和人们日常所见的钟表不同,这只钟对时间的测量基于原子物理,即原子钟。而又跟大部分的原子钟不同,这只钟应用的是更为先进的冷原子物理技术。

      中国科学院上海光机所量子光学重点实验室主任刘亮介绍,如果说机械表1天差不多有1秒误差,石英表10天大概有1秒误差,氢原子钟数百万年有1秒误差,那么冷原子钟则可以做到三千万年到三亿年误差1秒。


      这只钟为什么会走得那么准?一言以蔽之,秘诀在于“高、冷”二字:一方面得益于太空中“天宫二号”的“微重力”环境,另一方面则因为其自身的“冷”。


      科学家介绍,在微重力环境下,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,实现在地面上无法实现的性能,这是原子钟和时间基准发展历史上的一次重要突破。


      此外,利用激光冷却技术,原子气体被冷却至极低的温度,则极大地消除了原子热运动对原子钟性能的影响。


      “就像你坐在房间里,虽然看不见原子或分子,但里面的原子或分子都在运动,运动就会产生热,便是热原子。冷原子技术则是用激光的方法将原子温度从室温降低到接近绝对零度。对这些几乎不动的原子进行测量,结果会更加准确。”刘亮说。


      这样准的钟为何一定要放到天上呢?


      科学家解释,这是为了在太空中做一个高精度的时间基准。有了这个基准,就可以把天上的原子钟都同步起来,让它们变得更为精准。


      由于空间轨道与地球表面之间存在大气和电离层,地面高精度的时间基准信号与卫星或宇航器进行时间同步比对时会受大气多变状态的干扰,导致出现各种误差和不稳定性。


      空间冷原子钟的在轨运行,则将在太空中建立超高精度的时间频率基准,对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,使得基于空间冷原子钟同步的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。



      空间冷原子钟的组成



      人类历史上第一台在轨进行科学试验的空间冷原子钟



      由于高精度空间原子钟在计量学、守时、全球导航定位系统、基础物理等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值,国际上争相开展空间高精度原子钟的研究计划,其中欧洲空间局ESA支持的ACES计划,预计将于2017年发射。


      中科院上海光机所王育竹院士领导的科研团队从上世纪六十年代就开始了原子钟方面的研究,在1971~1979年间,承担了“远望”号测量船上铷原子钟的研制任务,成功研制出中国第一台铷原子钟,为国家导弹发射、电离层测量、通信等领域做出过重要贡献。


      当70年代末国际上激光冷却气体原子的概念刚刚提出时,王院士立刻认识到冷原子对原子钟的研究将产生革命性的影响,便率领团队开展激光冷却原子技术的研究。进入21世纪以后,随着实验室激光冷却技术的发展,王院士开始逐步推进冷原子铷钟和空间冷原子钟的可行性研究。


      2007年,在他的指导下,刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队成立,于2010年完成了空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学试验论证。2011年,空间冷原子钟实验CACES(Cold Atom Clock Experiment in Space)计划正式进入工程样机的设计与研制阶段。


      2016年,经过近10年的艰苦努力,中国第一台空间冷原子钟正样产品研制成功,在光、机、电、热、软件等方面通过了中国载人航天工程各类环模测试的检验,达到了满足火箭发射和空间在轨正常运行的要求,并将于近期随天宫二号空间实验室发射升空。



      这只钟可以用来做什么?


          

      冷原子技术的发展使许多实验的精度大幅度的提高,使原来不可能进行的实验成为可能。


      科学家介绍,利用冷原子技术,可以建造如冷原子微波钟,冷原子光钟,冷原子干涉仪,冷原子陀螺仪等量子器件,其精度是以往的经典器件不可能达到的。利用这些器件,可以在物理学的最基础的领域开展研究,从而使人类的知识得以扩展。以下则是利用空间冷原子钟突破的相关技术可开展的前所未有的研究:


      1、深空导航定位

         

      目前的卫星导航系统只能用于近地范围,未来有没有可能实现太阳系行星间的定位呢?


      科学家说,若是能在空间合适的位置放置高精度原子钟,就可以实现大尺度的高精度导航。刘亮说,最合适的位置是太阳系中的各个拉格朗日点,因为这里不受引力的影响。若在这些点上各放置一台高精度原子钟,则至少可以在太阳系内较大范围中实现准确的定位。这一旦实现,就可以进行大尺度时空研究,例如可以验证广义相对论在大尺度情况下是否成立等。



      空间冷原子钟的一些应用


      2、利用空间冷原子钟探测暗物质

      暗物质和暗能量是宇宙构成的最大的谜。刘亮说,暗物质可以改变时空,冷原子钟正是可以精确地测量时空,所以可以测出暗物质带来的时间的变化和空间的变化。通过对时钟在不同位置的时间测量,可以给出空间的暗物质分布等。


      他说,“实际上,很多研究都是基于我们对于时空的测量。我只要能探测到时空的变化,我就能测出目前的方法感觉不到的东西。


      3、利用空间冷原子钟测量引力红移


      根据广义相对论,时间没有一个统一的概念,在不同引力场里面,时间是不一样的。比如到了月球或者火星,时间是不一样的;同样,天上引力场和地面引力场的时间也是不一样的。


      “如果我们天上有个原子钟,地面也有个原子钟,都很准确,那么一比较就知道,时间相差多少,然后利用这个时间差就可以测量引力红移,这也是我们的应用之一,”刘亮说。


      4、利用空间冷原子干涉仪探测引力波

         

      科学家说,用空间冷原子干涉仪取代空间激光干涉仪,可以实现在轨引力波探测。而且空间冷原子干涉仪只需两颗卫星,且技术难度和成本降低。


      引力波的探测有各种方案。引力波作为一种波过来时,空间就会压缩,我们若能探测到这种空间压缩的话,我们就知道引力波的存在了,刘亮说。


      用光学干涉仪的方法探测引力波,需要两个臂,这就意味着所有的方案都必须要三个位置,现在中国的天琴计划和太极计划都需要三颗卫星。"如果用原子干涉仪的话我们用两颗卫星就可以探测到引力波,同样的成本下,我们可以做的更好," 刘亮说。



      从自然钟到光钟——人类对时间精度追求的历程


      科学家认为,整个人类社会的发展史也是人类对时间精度追求的历史。


      远古时期,人们利用天体的周期性运动来记录时间,日出而作,日落而息,这种通过观察太阳和月亮相对自己的位置等自然现象来模糊地定义时间,可称之为自然钟。


      随着古代文明的进步,人们逐渐发明了如日晷、水钟、沙漏等计时装置,能够指示时间按等量间隔流逝,标志着人造时钟开始出现。


      当钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器出现后,人们把任何能产生确定振荡频率的装置称为时间频率标准,并以此为基础建立了真正可持续不断运转的时钟。如图显示,从14世纪到19世纪中叶的500年间,人们首先采用了的古老的摆轮钟代替了自然钟(精度约为10负2次方量级,误差约为1刻钟/天),然后在钟摆装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表,使机械钟的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平(精度最高达到10负8次方量级,误差约为1秒/年)。



      时钟的历史演变


      从20世纪30年代开始,随着晶体振荡器的发明,小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟,广泛应用在电子计时器和其它各种计时领域,一直到现在,成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。


      从20世纪40年代开始,现代科学技术特别是原子物理学和射电微波技术蓬勃发展,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,发展出比晶体钟更高精度的原子钟。


      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的负14次方量级,即误差约为1秒/300万年。


      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,目前冷原子喷泉钟精度已经达到了10负16次方量级,即误差1秒/3亿年。而采用更高工作频率的光钟,其最高精度可达10负18次方量级,误差小于1秒/50亿年。


      “未来可能会出现更加精准的原子核钟,”刘亮说,“我们的终极目标是制造出在整个宇宙的生命周期内永远不会走偏的时钟。”


      文中配图除漫画制图外,均由中科院上海光机所提供


      致谢:

              中科院上海光机所

              中科院空间应用工程与技术中心(总体部)


      (编辑:韩乔)



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