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“天宫二号”科普:超高精度空间冷原子钟

“天宫二号”科普:超高精度空间冷原子钟
BY 乐博体育 - 乐博体育官方首页 / 2022-05-04

行将发射的“天宫二号”空间试验室 ,是一个真正意义上的空间试验室 ,将开展10余项空间科学与运用项目,是载人航天历次使命中运用项目至多的一次 。触及微重力根蒂根基物理 、微重力流体物理 、空间质料科学、空间生命科学、空间天文探测 、空间情况监测、对于地不雅测及地球科学研究运用和运用新技能实验等多个范畴 。中国科学院空间运用工程与技能中央代表中国科学院牵头卖力载人航天等庞大科技工程空间运用体系方面的整体治理以及技能集成事情,卖力所有科学运用载荷的体系集成、地面测试以及在轨运控等使命。关于“天宫二号”的各项高精尖设备,接下来的一段时间里 ,科学年夜院将逐一为各人先容。

超高精度空间冷原子钟,这是一台甚么“钟”?又将对于咱们的糊口孕育发生甚么影响呢?一切还患上从好久好久之前提及……

“精”益求“精” :从日晷到冷原子钟

在人类文明前进以及科学技能成长的汗青长河中,人类勾当所带来的社会需求与时间丈量的精度是密不成分的 。好久好久之前 ,咱们的先人记载时间是哄骗天体的周期性运动。他们日出而作,日落而息,经由过程不雅察天然征象 ,例如太阳以及玉轮相对于本身的位置等来恍惚的界说时间,如许的时间被称为天然钟。

厥后,人们逐渐发现了如日晷 、水钟、沙漏等计时装配 ,可以或许唆使时间按等量距离流逝,这也标记着人造时钟最先呈现 。

而当钟摆等可永劫间重复周期运动的振荡器呈现后,人们把任何能孕育发生确定的振荡频率的装配 ,称为时间频率尺度 ,并以此为根蒂根基发现了真正可连续运转的时钟。

人类计时东西的蜕变(刘琪 制图)

从14世纪到19世纪中叶的500年间,人们起首接纳古老的摆轮钟取代了天然钟,(精度约为10^-2量级 ,偏差约为1刻钟/天),然后在钟摆装配的根蒂根基上逐渐成长出日趋周详的机械钟表,使机械钟的计时精度到达基本满意人们一样平常计时需要的程度(精度最高到达10^-8量级 ,偏差约为1秒/年)。

从20世纪30年月最先,跟着晶体振荡器的发现,小型化、低能耗的石英晶体钟表取代了机械钟 ,广泛运用在电子计时器以及其它各类计时范畴,一直到此刻,成为人们一样平常糊口中所使用的重要计时装配 。

20世纪40年月最先 ,现代科学技能出格是原子物理学以及射电微波技能蓬勃成长,科学家们哄骗原子超邃密布局跃迁能级具备很是不变的跃迁频率这一特色,成长出比晶体钟更高精度的原子钟。

1967年第13届国际计量年夜会将时间“秒”举行了从头界说 :“1秒为铯原子基态的两个超邃密能级之间跃迁所对于应的辐射的9192631770个周期所连续的时间”。

自从有了原子钟 ,人类计时的精度以险些每一十年提高一个数目级的速率飞速成长 ,20世纪末到达了10^-14量级,即偏差约为1秒/300万年,在此根蒂根基上成立的全世界定位导航体系(例如美国GPS) ,笼罩了整个地球98%的外貌,将原子钟的旌旗灯号广泛的运用到了人类勾当的各个范畴 。

跟着激光冷却原子技能的成长,哄骗激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间丈量的精度进一步提高 ,到今朝为止,地面上切确度最高的冷原子喷泉钟偏差已经经减小到1秒/3亿年,更高精度的冷原子光钟也在飞速成长中。

时间丈量装配的蜕变图例(梁哲凯 制图)

总而言之 ,“时间”成为现代科学技能中丈量正确度最高的基本物理量,经由过程各类物理转化,可以提高长度 、磁场、电场、温度等其它基本物理量的丈量精度 ,是现代物理计量的根蒂根基。

激光冷却+空间微重力:让原子钟向更高精度进发

最近几年来,科学家们将激光冷却原子技能与空间微重力情况相联合,有望在空间轨道上得到比地面上的线宽要窄一个数目级的原子钟谱线 ,从而进一步提高原子钟精度 ,这将是原子钟成长史上又一个庞大冲破 。

因为高精度空间原子钟在计量学 、守时、全世界导航定位体系、根蒂根基物理等方面都有很是庞大的科学研究以及工程运用价值,国际上争相开展空间高精度原子钟的研究规划,此中最重要的是欧洲空间局ESA撑持的ACES规划 ,估计将于2017年发射运行 。

我国在原子钟研究方面都做了哪些事情呢?

说到这个,就不能不提到中国科学院上海光机所的王育竹院士及其科研团队,他们从上世纪六十年月就最先了原子钟方面的研究。

在1971~1979年间 ,他们负担了“眺望”号丈量船上铷原子钟的研制使命,乐成研制出中国第一台铷原子钟,为国度导弹发射 、远间隔丈量 、通讯等范畴做出太重要孝敬 ,得到了天下科技年夜会“庞大科技结果奖”以及国度科技前进特等奖。

中国第一台铷原子钟(上海光机所研制)

70年月末,国际上激光冷却气体原子的观点方才提出时,王育竹院士马上熟悉到冷原子对于原子钟的研究将孕育发生革命性的影响 ,因而他率领团队着手开展了激光冷却原子技能的研究 。

进入21世纪后,跟着试验室激光冷却技能的成长,王育竹院士最先慢慢推进小型化冷原子铷钟以及空间冷原子钟的可行性研究。

2007年 ,在王育竹院士的引导下 ,刘亮研究员带领的空间冷原子钟团队建立,并于2010年完成为了空间冷原子钟道理样机的研制以及地面科学实验论证。

2011年,空间冷原子钟试验CACES(Cold Atom Clock Experiment in Space )规划正式进入工程样机的设计与研制阶段 。

到2016年 ,颠末科学家们近10年的艰辛起劲,中国第一台空间冷原子钟正样产物研制乐成,而且它在光、机、电 、热、软件等方面经由过程了中国载人航天工程各种环模测试的查验 ,到达了满意火箭发射以及空间在轨正常运行的要求,据悉,期近将发射的天宫二号载人航天航行器上 ,就会搭载上海光机所研制的空间冷原子钟,这将成为国际上第一台在轨举行科学试验的空间冷原子钟。

那末,毕竟空间冷原子钟与地面上的一般的冷原子钟有甚么差别呢?

据科学家们先容 ,空间冷原子钟是在地面喷泉原子钟的根蒂根基上成长而来。

在地面上,因为遭到重力的作用,自由运动的原子团始终处于变速状况 ,宏不雅上只能做近似喷泉的运动或者者是抛物线运动 ,这使患上基于原子量子态周详丈量的原子钟在时间以及空间两个维度遭到必然的限定 。

在空间微重力情况下,原子团又可以做超慢速匀速直线运动,基于对于这类运动的邃密丈量可以得到较地面上越发周详的原子谱线信息 ,从而可以得到更高精度的原子钟旌旗灯号。可以预期,空间冷原子钟将成为今朝空间最高精度的原子钟。

让“冷钟”上天:这一切怎样实现

空间冷原子钟(上海光机所研制 赵侃拍摄)

空间冷原子钟重要包孕物理单位、微波单位 、光学单位以及节制单位四年夜构成部门,每一个单位都有很是高的技能指标 ,其事情道理是哄骗激光冷却以及俘获技能得到靠近绝对于零度(μK量级)的超冷原子团,然后接纳挪动光学黏团技能将其沿轴向抛射 。

在微重力情况下,原子团可以做超慢速均速直线运动。处于纯量子基态上的原子颠末环形微波腔 ,与分散微波场两次彼此作用后孕育发生量子叠加态,经由原子双能级探测器测来由于两种量子态上的原子数比例,得到原子跃迁概率 ,转变微波频率便可得到原子钟的谱线Ramsey条纹。估计微重力情况下所得到的Ramsey中央谱线线宽可达0.1 Hz,比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数目级,哄骗该谱线反馈到当地振荡器便可得到高精度的时间频率尺度旌旗灯号 。

空间冷原子钟事情道理图(刘琪 制图)

因为空间冷原子钟可以在太空中对于其它卫星上的星载原子钟举行无滋扰的时间旌旗灯号通报以及校准 ,从而防止年夜气以及电离层多变状况的影响 ,使患上基于空间冷原子钟授时的全世界卫星导航体系具备越发切确以及不变的运行能力 。

空间冷原子钟的乐成将为空间高精度时频体系、空间冷原子物理、空间冷原子干预干与仪 、空间冷原子陀螺仪等各类量子敏感器奠基技能根蒂根基,而且在全世界卫星导航定位体系、深空探测、广义相对于论验证 、引力波丈量、地球重力场丈量、基本物理常数丈量等一系列庞大技能以及科学成长方面做出主要孝敬。

空间冷原子钟的典型运用(刘琪 制图)

人类的勾当规模没有极限,对于时间丈量尺度的要求也就没有极限。

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