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我国梦天实验舱将搭载三种原子钟,有一种数亿年计时误差不到1秒

发布:牛力来网 | 发布时间:2022-03-26 | 点击:


生活中我们谁都离不开时间管理,而在科技方面,越是精确的时间掌控越能促进高级科学技术的进步,比如在北斗导航上,时间需要精确到微秒,在芯片制造以及一些科学研究上则需要更精确的时间,总之对时间的精准掌控意义重大,对提升科技水平和促进生产力发展都有重要作用。

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众所周知,今年我国空间站的问天实验舱和梦天实验舱都将发射升空与空间站对接,而据《中国科学报》3月24日文章报道称,梦天实验舱上将搭载三组冷原子钟,其由氢原子钟、铷原子钟、光学钟组成,将构建时间频率实验室,中科院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟表示,这是世界上第一套空间冷原子钟组,如果成功,那么它将成为太空中最精准的时间频率系统,其精准度可做到数亿年误差小于1秒。

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↑北斗导航卫星系统中使用的氢原子钟

原子钟是一种精准的计时器,就是把原子某两个微波能级之间的跃迁信号作为参考频率输出信号的高精度时钟,而冷原子钟需利用激光使原子温度降至绝对零度附近,使原子能级跃迁频率受到更小的外界干扰,这样能实现更高的时间精度。而在太空微重力环境下运行高精度原子钟则可以对基本物理原理开展验证实验,比如用于暗物质和引力波探测等方面,也可发展更高精度的导航定位系统,所以同样具有重要意义。

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此前我国曾在2016年发射的天宫二号空间实验室上放置过3000万年误差小于1秒的世界首台空间冷原子钟,这台铷原子钟由中科院上海光机所主导研制,在轨三年多时间一直稳定运行,帮助我国科学家获得了第一手的实验资料,而我国梦天实验舱上的空间冷原子钟组将向更高的时间精度发起冲击。

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其中的氢原子钟为空间主动型氢原子钟,由中国航天科工集团二院203所自主研发,是原子钟中的核心载荷,氢原子钟一般为数百万年才误差1秒,另外两个为锶光钟和铷喷泉钟,时间精度都会超过天宫二号上的首台空间冷原子钟。

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这其中应以锶光钟的精度为最高,其全名为锶原子光晶格钟,其本质上是一种光原子钟,光钟以光频率运行,光频率是电磁波谱上可见光的频率,它比原子微波的频率更高,所以精度也更高。

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在锶原子光晶格钟的激光束中,每一个光学晶格都拥有上千个中性锶原子,而这种中性锶原子每秒可进行430万亿次的“滴答”,约50亿年才会产生1秒误差,不过在去年9月份有报道称日本东京大学的胜藤英寿和美国科罗拉多大学的叶军通过技术提升获得了更高精度的百亿年不差1秒的锶光钟,其运行150亿年的误差都不会超过1秒,而我们的宇宙从诞生至今才不过138亿年,也就是说如果用这种原子钟来计时的话,那么从宇宙诞生至今产生的误差都不会超过1秒。

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而我国梦天实验舱上搭载的锶光钟技术推测或至少与其同级水平,应该比张伟主任所说的数亿年误差一秒的精度更高。这套冷原子钟组技术的使用,无疑将大大促进我国空间技术的发展。

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比如我国引力波探测的太极计划,天琴计划等,卫星之间相距几十或几百万公里,却需要比毫米还小的尺度上感知到对方的激光信号,这都需要极高精度的卫星定位、激光校准和时间掌控能力,梦天舱上的冷原子钟组技术将能助力实现。

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参考资料:

《中国科学报》3月24的文章《中科院造!两大实验柜亮相“天宫课堂”》

《前瞻网》2021年9月16日文章《世界上最准确的时钟:每150亿年才会减少一秒》



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