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“天宫二号”开展人类首次空间冷原子钟实验

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新华社北京9月19日电(记者杨春雪、喻菲)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15日搭乘“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

这只钟对时间的测量基于原子物理,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。

据上海光机所中科院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。

(关于空间冷原子钟的想象图,贺萌制图)

(小标题)这只钟为什么走得那么准?

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,另一方面则因为钟自身的“冷”。

据介绍,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。

此外,利用激光冷却技术,原子气体被冷却至极低的温度,这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。

(空间冷原子钟的组成)

(小标题)这么准的钟为何一定要放到天上呢?

科学家解释说,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,对其他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。

(空间冷原子钟的一些应用)

(小标题)这只钟可以用来做什么?

据科学家介绍,冷原子技术的发展使许多实验的精度大幅度地提高,使原来不可能进行的实验成为可能。例如,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?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。

刘亮认为,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较大范围内实现准确定位。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。

刘亮介绍,利用空间冷原子钟还可以测量引力红移,探测引力波以及暗物质等。“实际上,很多研究都是基于我们对于时空的测量。只要能探测到时空的变化,我们就能测出目前的方法感觉不到的东西。”他说。

(时钟的历史演变)

(小标题)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的方法,可以称为自然钟。

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。

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他各种计时领域,一直到现在都是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,科学家创造出比晶体钟精度更高的原子钟。

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。

“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。”

(原标题:“天宫二号”开展人类首次空间冷原子钟实验)