冷原子鐘:是衛星的“心臟”、導彈的“眼睛”

冷原子鐘:是衛星的“心臟”、導彈的“眼睛”

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導語:去年10月萬衆矚目的“夢天”實驗艙成功發射,“夢天”搭載了世界首套空間冷原子鐘組。它的精準度高得驚人,可以在數億年時間裡控制誤差在1秒以內,成功打破了世界紀錄。它到底是怎樣工作的?時間和定位精度之間怎麼會有聯繫?

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一、“夢天”空間冷原子鐘組世界最準

如今導彈的制導,很少能繞開一樣東西——衛星定位。按北斗工程總設計師孫家棟院士的說法:做不出原子鐘,“北斗”系統就建不成。

“北斗”系統定位的核心原理是利用多個衛星組網並計算距離(由信號接收時間差乘以電磁波的光速獲得)來確定物體在地球上的位置,這種算法的精度主要取決於授時精度和衛星之間的時間對齊程度。

空間原子鐘被譽爲導航衛星的“心臟”,直接決定了導航定位精度。它能爲導航系統提供具備超高穩定性的時間頻率基準信號,更好地確定相互之間的距離,直接決定了導航系統的定位、測速和授時精度。導航系統的精度究竟能達到米級、分米級、還是釐米級,很大程度上依賴於空間原子鐘的性能。

作爲“天宮”空間站的二號實驗艙,“夢天”實驗艙要由8個實驗櫃構成。作爲空間站中最複雜的實驗櫃,高精度時頻實驗櫃裡,擁有世界第一套由主動氫原子鐘、冷原子銣鍾、冷原子光鍾組成的空間高精度時頻系統,是太空中首個最高精度的時間頻率系統——可以在五十億年時間裡將誤差控制在一秒以內。

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整套空間高精度時頻系統由一臺氫鍾、一臺銣鍾和一臺鍶鍾構成,分別由航天科工集團二院203所、中科院上海光機所、中科院武漢物理與數學研究所研製,被共同固定在兩個冰箱大小的框架中。

原子鐘組裡的氫鍾是一種主動型氫原子鐘,精度達到數百萬年誤差一秒,類似產品已經被廣泛應用於我國已發射的衛星中,作爲校準的參考對象;

銣鍾則是一種冷原子噴泉鍾,通過激光將原子冷卻後,再利用微波激發銣原子的能級躍遷進行計數,精度達到三千萬年誤差一秒;

最精確的莫過於鍶鍾,它也是我國首次發射上天的光鍾,它通過可見光激發鍶原子的能級躍遷進行計數,精度高達數十億年誤差一秒度高達數十億年誤差一秒。

將不同類型的冷原子鐘組合在一起,形成一個冷原子鐘組。冷原子鐘組可以實現不同頻率之間的轉換和比較,從而提高整體系統的穩定性和可靠性。發射到太空中後,這三臺“又高又冷”的鐘可以獨立工作並相互比較讀數,從而以前所未有的精確度測量時間,甚至已經超過了地面上最爲先進的單臺冷原子鐘。

二、冷原子鐘是如何計時的?

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作爲一種更精確的計時方法,原子鐘的誕生離不開人類在20世紀40年代原子核物理領域突飛猛進的發展。

原子是構成元素的最基本單元,同時也是化學變化中的最小微粒,當原子從一個能量態躍遷至低的能量態時,它便會釋放電磁波,就是人們所說的共振頻率。同一種原子的電磁波特徵頻率是一定的,可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特徵頻率同步作爲產生時間脈衝的節拍器。

振盪器產生微波或者光信號,通過精密可調的乘法器(微波/光頻鏈路)與原子介質作用,探測原子介質躍遷後的能態變化,鎖定振盪器,振盪器輸出標準頻率信號。這是原子鐘最基本的部分,稱之爲原子頻標,加上頻率計數和積分等計時器功能就構造成全部的原子鐘。

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在發現原子共振現象後,物理學家就開始嘗試將其振動結果定義爲標準的時間計量單位。例如銫-133在零下273度條件下的共振頻率爲每秒9192631770次(約91億次),這也是目前國際計量大會(CGPM)對於”秒“的定義。

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原子鐘依靠計數測量原子的共振頻率,並進行反推,從而實現精準計時。它的優勢在於不含放射性,且不受相對論效應的影響,具有低漂移、高穩定性、抗輻射、體積小、重量輕、功耗低等特點,這讓它在太空中有着用武之地,發射至太空中工作的被稱爲空間原子鐘。其中基於微波激發的被稱爲噴泉鍾,被光激發的被稱爲光鍾。

使用冷原子進行計時,是因爲它的每個原子接近於靜止狀態,方便將原子限定在特定空間中,有利於人類利用振動計時,這樣的原子很“冷”是結果而非原因。

這就是國際度量衡大會嚴格定義銫原子必須處於零下273度的原因:靜止的原子排除了運動的干擾,相比於更“熱”、運動速率較大的原子,其共振頻率輸出將更穩定,且更易被儀器捕捉。這就需要依靠特殊方法將原子減速,導致了溫度的下降,達到定義中的零下273度低溫。

三、如何讓環境變成“最冷”?

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空間冷原子鐘精確計時秘訣在於“高、冷”二字:一方面得益於太空中的“微重力”環境,另一方面則因爲鍾自身的“冷”。

我們雖然看不見原子或分子,但裡面的原子或分子都在運動,運動就會產生熱,這便是熱原子。冷原子技術是用激光的方法將原子溫度從室溫降低到接近絕對零度。對這些幾乎不動的原子進行測量,結果會更加準確。

製造冷原子鐘的最大難點,莫過於將目標原子速率降低至接近於零。

出於不同的研究目的,科學家需要創造儘可能接近於絕對零度的環境,使原子在“最冷”的環境下擁有穩定的狀態。這就需要從熱能的定義上出發,使原子“變冷”的根本是需要通過某種方法對原子減速,當速率降至接近於零,實際上體系的溫度就越接近絕對零度。

對於這一難題,華裔科學家朱棣文提出了“激光冷卻和捕獲原子的方法”,極大推動了冷原子物理學的發展,並以此獲得了1997年諾貝爾獎。

原子由原子核和繞原子運動的電子構成。對某一個原子來說,穩定的原子核需要通過巨大的能量才能轟開,很難發射能量交換,它的電子卻容易與外來的光子發生作用。當電子從低軌道躍遷到高軌道時,它需要吸收相應的能量。當特定頻率的光子被原子吸收後,根據動量守恆定律,這將導致原子的速率發生變化。

基於這個效應,科學家設計了從六個方向入射激光的裝置,針對目標原子調整激光的頻率到一個合適的值,保證光子被吸收。

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這樣的設計的目的是:無論原子朝哪個方向運動,它總是會吸收到迎面而來的光子。這些原子就好似處在特定頻率光子形成的“粘稠糖漿”中,它們向各個方向運動的速率會不斷降低,直到幾乎靜止,從而降低整個體系的熱能。這已經成爲了國際上構造冷原子鐘極低溫環境的標準手段。

隨着激光冷卻原子技術的發展,利用激光冷卻的原子製造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高,正以幾乎每十年提升一個數量級的速度發展。

四、超高精度授時助力多領域發展

站得高,望得遠,對於衛星之間也是如此。目前的星載鍾需要依靠不斷與地面的冷原子鐘進行對齊,才能夠獲得較精確的時間信息,但星地之間相對較長的距離,以及大氣層和電離層的存在都會導致同步過程有所波動。

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如果在星間鏈路本身建立一套精確授時系統,它就可以作爲宇宙空間中的授時中心,將基於空間時間座標系下的超高精度時間信息毫無干擾地傳輸給其他衛星。

通過“夢天”實驗艙的聯合校準,在形成一個太空座標系下的時間頻率網絡系統後,無論是太空中的授時精度、還是面向地面的導航精度(能夠從米級精確至釐米級)都能夠大幅提升。

同時它還能有效支持很多基礎科學的研究,例如論證愛因斯坦廣義相對論、更精確地測量物理常數和遙遠星系距離、監控引力波現象、尋找暗物質和暗能量的證據、探索宇宙中的引力紅移現象、觀察遙遠星系的合併等,爲我國後續的天文物理研究創造更好的條件。

結語:

我國衆多太空探索計劃下的衛星之間相距幾百萬公里,卻需要在毫米級別尺度上感知到對方的發出的激光信號,這都需要極高精度的時間對準能力。而現在,我國在太空中擁有了最好的授時系統,這將支持我國在太空中多領域的研究。毫無疑問,“夢天”實驗艙中的冷原子鐘組將賦予宇宙探索新的想象。

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參考文獻:

[1]中國航天基金會. 解碼夢天實驗艙科學實驗櫃

[2]中國政府網. 中國空間站將應用自主研發的主動型原子鐘

[3]科技時壇. 數十億年誤差一秒!中國造出世界首套冷原子鐘組,到底有什麼用?

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[4]中科院物理所. 光是如何讓原子冷靜下來的?

[5]北斗衛星導航系統. 從古至今,授時都經歷了什麼?