中國冷原子鐘,耗時5年造出全球首臺,3千萬年誤差一秒

2020-12-03 騰訊網

在我們的概念中,一般而言對於機械錶,石英表都是以秒來形容精度,而好一點的石英表可以做到用毫秒辨別精度,。其實對於這樣的精度而言,平常的生活是完全夠用了。但是,運用到科學領域卻遠遠還不夠。

在高科技科學領域,失之一毫差之千裡可謂十分的貼切。

比如在導航領域,如果一天的計時誤差達到了十一分之一,那麼導航的精度將會受到嚴重的影響。

如果計時的誤差達到了千分之一,那麼全球的交通,金融系統,通訊網絡等都會陷入癱瘓。

也許只有這些領域才能真正的關注時間,所以對時間誤差的控制也是一代代科學家們不懈的追求與努力。

一般而言,衛星導航的定位系統能夠做好精度在3米到10米左右,所以飛彈不出意外根據這個定位就能精準命中目標,但是如果時間誤差不能把控好,那麼按照飛彈的速度,將會嚴重出現脫靶。

所以,對於時間的精度的研究,各個國家都十分的重視。

在上世紀50年代的時候,有一個名叫拉姆賽的科學家提出了分離振蕩法。

分離振蕩法可以把原子的振蕩頻率給提取出來,以此來作為計時器的運動周期。該方法十分的穩定,而且十分的高效,總結起來有兩大原因。

首先,原子的結構十分穩定,其次原子周期運動的時間間隔十分小。

基於以上兩大優點,原子鐘應運而生。

自從原子鐘誕生以後,世界各國的科技進步十分明顯,GPS與北鬥系統都用上了該技術。之前原子鐘精度基本每過10年都會提升一個等級,但是在20世紀末的時候瓶頸卻出現了,人類對原子鐘的精度提升方面已經遇到困難。

造成該困難最根本的原因就是:原子本身的熱運動沒有辦法消除,所以相對的誤差還是會出現。

要知道,如果要去太空某一個星球,如果按照我們地球上的導航精度去導航的話,隨著距離的增加會出現嚴重的誤差,最終的結果就是永遠到不了目的地,而要想在太空精確導航,那麼時間誤差必須控制在3千萬年一秒級別。

所以科學家們提出了一種大膽構想,原子是組人體最基本的單,同時它又有一個特點,那就是會被物理攻擊造成傷害。而能夠攻擊原子的物理武器又是什麼呢?

雷射,在出現瓶頸後,科學家們終於找到了用雷射來冷卻原子的方法,從而來消除原子本身的熱運動。

絕對零度就能實現將原子凍住,保持靜止不動。

水在零度的時候會結冰,空氣在零下200度的時候會變成固體,經過科學家實驗,當零下273.15度的時候,原子就能被凍住了,而零下273.15也被科學界稱為絕對零度。

冷原子鐘的原理看似簡單,但是放眼全球能夠進行該項目研發的國家卻寥寥無幾。

中國要想成為真正的強國,就需要不斷挑戰自我,超越它國,所以我們國家的科學家也十分重視該領域的發展,我國於2005年啟動了空間冷原子鐘研發計劃。令人值得驕傲的是,我國在2016年成功研發出了天宮2號冷原子鐘,同時也是世界上首臺冷原子鐘。歐美等國雖然比我們早近20年啟動該項目,卻被我們半路反超,離不開王育竹院士。

在2010年12月,該團隊接到從北京打來的電話,團隊成員被請到北京航天城,在這裡大量專家輪番上陣給該團隊成員上航天工程課,原來團隊接到了一個任務,那就是要把原子鐘實驗室搬到太空去。

當聽到這個計劃後,團隊所有成員面面相覷。因為該計劃有一個很大的難題,那就是當時天宮二號本來就搭載了各種儀器,而留給原子鐘的空間本就不大,整體重量必須控制在70千克以內,但是當時的樣機卻高達500多千克。

當解決了體積與重量這個難題後,結果又有一個難題出現了,原子鐘的功率只能是100瓦。不得不說,挑戰一下就來了。要知道一臺微波爐的功率都在1000瓦左右,不過在團隊的協作下最終還是戰勝了難題。

要想雷射冷卻原子,就得全方位對原子進行覆蓋照射,用雷射在原子周邊形成一個照射囚龍,被照射的原子不斷被雷射吸收和消化能量,最終達到原子靜止的目的。要想實現這樣的目標,起碼得有6束雷射才行,但是受制於功率和空間大小,只允許使用2道雷射。

辦法總比困難多,最終專家們設計出一套系統,雖然只有兩道雷射,但是通過該系統多次反射能夠實現一樣的目的,就這樣一個雷射囚籠便誕生了。

據悉,從接到任務到2016年交出樣機,5年的時間裡根本沒有日夜白晝之分,終於冷原子鐘伴隨天空2號飛向了太空。

美國《科學》雜誌對於中國冷原子鐘專門做了一期專題,其中有一句評價令人振奮人心。該雜誌在封面位置寫道:中國的空間冷原子鐘開始滴答作響,人類地球的計時精度將會變得更加精確。

該冷原子鐘的設計誤差為3千萬年一秒,最終目標為4200萬年誤差一秒,在2017年的法國時頻大會上,外國專家團隊無奈感嘆道:太空最領先的冷原子鐘數據已經被中國人率先拿到了。這是對中國專家團隊最好的褒獎。如今中國空間站將成世界上僅有的空間站,而我國下一代空間冷原子鐘項目也在緊鑼密鼓地進行中。

而有了這一次的勝利,也成功打破了該領域的禁錮。之前西方一直不允許我們國家參與類似的科學盛會,擔心我們偷師學藝。如今我們走在前面後,各大國際機構主動邀請我們分享技術,不過我們樂於分享,畢竟科學無國界,最終受益的還是全人類。

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