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日前科学家研制出的新型光钟

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日前科学家研制出的新型光钟

美高梅集团网站美高梅集团4688com ,日前,据媒体报道,科学家研制出新一代激光时钟可在20亿年里几乎不会产生1秒的误差。光钟未来可广泛应用于卫星导航,其在追踪地面移动目标时精度可以保持在1米以内,从而使得汽车或飞机的自动驾驶成为可能。 在取得上述成就后,美国、英国、德国、法国和日本等多个国家的科学家还准备在这一研究领域继续展开竞赛,以便能够设计制造出更加精准的时钟。他们的目标就是将时钟的时间精准到自137亿年前宇宙大爆炸以来分秒不差。 朋友,你家的表准儿吗? 一块普通手表,走得再准,一个月也有15秒左右的误差。你能想象20亿年误差不超过1秒的时钟吗? 据《泰晤士报》报道,目前科学家研制出新一代激光时钟,这种时钟计时巨精确,20亿年误差不超过1秒。要说这种时钟的用途,光是在卫星导航上的应用,就足以“雷倒”不少人。科学家预测,装上这种时钟,卫星导航仪可将地面目标定位到1米以内,如此以来,汽车或飞机实现无人驾驶将完全不在话下。 激光时钟为何物?如何做到这般准确?生活中有哪些应用?为了揭开激光时钟的神秘面纱,记者走访了中国计量科学研究院光频标研究室方占军研究员和华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室毕志毅教授。 新的突破 用光波跃迁频率定义的时间/频率标准 方占军告诉记者,激光时钟,也叫光学时钟,就是利用原子在光波波段的跃迁来定义的时间/频率标准。 以时间的基本单位“秒”的定义为例,多长时间为1秒?20世纪50年代,1秒被定义为1个平均太阳日的1/86400。然而,由于太阳日在一年中并非完全相同,1956年,国际上又将秒定义为1900年1月1日历书12时开始地球公转一周时间的1/31556925.9747。 随着量子物理的发展,科学家发现,微观量子态的跃迁具有稳定不变的周期,例如,铯原子133的跃迁频率为每秒9.19×109周,因此,原子可以用作一种节拍器来保持高度精确的时间。1967年,“秒”被重新定义为铯原子133同位素基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射周期的9.19×109倍的时间,该标准一直沿用至今。由于原子跃迁频率在微波波段,因此,利用微波跃迁频率建立起来的时间/频率标准又被称为“微波钟”,也就是说,我们现行的秒定义也是基于该跃迁的“微波钟”。 由于光学频率比微波频率高出4—5个数量级,因此,在其他因素相同的情况下,光学频率标准的精度和稳定度要比微波频率标准好很多。所以,科学家一直期盼用光波跃迁频率建立时间0频率标准,即“光钟”。 “精度”解读 工作频率比原子钟高4到5个数量级 1999年,飞秒激光频率梳开创性的发展为光钟提供了一个非常好的“光学齿轮”,它可以精确地将光频的精度传递到微波波段,从而实现记录和显示,这为光钟的建立迈出了重要一步。 2001年,科学家首次利用原子和飞秒激光频率梳完成了第一个“光钟”试验。短短几年间,光钟的精度实现了几何级的提高。据报道,日前科学家研制出的新型光钟,20亿年里误差可控制在一秒。在此之前,世界上最先进的光钟由美国国家标准与技术研究所研制,它通过测量汞离子中电子的振动频率,可以保持17亿年精确运行而分秒不差,比当光钟如何做到这般准确?这要从光钟的基本构成说起。毕志毅告诉记者,同所有的钟一样,光钟也有两个基本组成部分:振荡器和计数器。原子钟的振动频率取决于所对应的原子能级的特性,原子钟的稳定性和精度与原子能级跃迁谱线宽度△ν和跃迁频率ν有关,因此在相同谱线宽度△ν的条件下,由于光学频率比微波频率高出4—5个数量级,因此原子光钟的精度将大大提高,明显优于原子微波钟。 “一秒”意义 飞机汽车有望实现无人驾驶 无论是20亿年里不差一秒,还是8000万年不差一秒,对于普通百姓的生活而言,似乎差别并不是很大,科学家的努力似乎有些徒劳。 其实不然。毕志毅介绍说,科学家普遍认为,光钟将对卫星导航、空间科学、通信及计算机网络同步传输等对于时间精度要求比较高的领域产生重大影响。 以全球卫星定位系统为例,其全球卫星定位系统接收由卫星发出的微波信号,主要是通过测量信号开始抵达的时间,如果全球卫星定位系统装上“光钟”,可将地面的某一物体锁定在更小的范围内。这样一来,它将在自动驾驶、精确导航等方面发挥重要的作用。 至于装上这种光钟,飞机汽车是否就可以实现无人驾驶?方占军告诉记者,这只是实现飞机或汽车无人驾驶的必要条件,飞机或汽车能否实现无人驾驶还受其他多种因素的影响。 可帮助检验物理学基本理论 除了上述应用外,科学家表示,光钟的更大意义则体现在对科学探索的贡献。 据了解,时间/频率标准的研究在科学探索中有着举足轻重的地位。从20世纪40年代以来,有近十次诺贝尔奖颁发给了那些对时间/频率标准研究作出重要贡献的科学家。2005年,霍尔(JohnL·Hall)和亨施(TheodorW·Hansch)因在精密激光光谱研究和光学频率梳技术方面的重要贡献而获得了2005年的诺贝尔物理奖,正是他们的工作为实现光钟奠定了基础。 毕志毅说,有了光钟这种高精度的时间/频率标准,将会进一步改进SI国际单位制体系;科学家可以在更高的精度上测量物理常数、探索物理常数是否随时间而变化以及验证基本物理理论。 美国标准与美国国家标准与技术研究所物理学家蒂尔·罗森邦德也认为,光学时钟可以用于检测宇宙的基本属性。我们可以依靠它发现物理学领域基本定律的变化。 光钟代表时钟的未来 据报道,在研究出这种20亿年误差不超过一秒的激光时钟后,美国、英国、德国、法国和日本等多个国家的科学家还准备在这一研究领域继续展开竞赛,以便能够设计制造出更加精准的时钟。他们的目标就是将时钟的时间精确到自137亿年前宇宙大爆炸以来分秒不差。科学家们相信十年内这种时钟有可能实现。 位于法国巴黎的国际计量委员会,计划到2020年实现用光学时钟取代原子钟。负责时间与频率的执行秘书伊莉斯·阿里亚斯说:“光学时钟代表着时钟的未来,这是一项非常振奋人心的发明。到2015年,我们将取得阶段性成果。” 对此,毕志毅说,光钟是一种精度极高的精密仪器,它的结构非常复杂,综合了多项高新技术,目前还处于实验室研究阶段。要达到长期可靠运转,科学家还需要做很多艰苦而细致的研究工作。在这个基础上还需要对不同国家和不同实验室研制的光钟进行严格的频率比对,以证明它们能在多高的精度上给出统一的时间标准,为建立“秒”的新定义提供科学依据。 至于2020年光学时钟要取代原子微波钟的说法,毕志毅认为,光钟和微波原子钟各有特点,前者完全取代后者不太现实。问起目前国内的光钟的研究进展,毕志毅和方占军都表示,我国的光钟研究起步比较晚,2001年,美国就已完成了第一个光钟实验,而我国真正开始光钟研究也就是近几年的事情,目前仍在从事着组建光钟前的基础研究工作。 所幸的是,光钟研究的重要性已引起了国家和各个层面的重视,并且有一批中青年科学家的积极参与,他们在光钟关键部件的研究中已取得了不少可喜的研究成果。

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