人類計(jì)時(shí)器天花板3500萬(wàn)年誤差僅為一秒鐘

精準(zhǔn)地計(jì)量時(shí)間，遠(yuǎn)比我們想象中要重要得多。如果一天的計(jì)時(shí)誤差超過(guò)千分之一秒，那么通信網(wǎng)絡(luò)、交通、金融系統(tǒng)就會(huì)陷入混亂；如果一天的計(jì)時(shí)誤差超過(guò)十萬(wàn)分之一秒，那么導(dǎo)航定位系統(tǒng)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。像北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)這樣的國(guó)之重器到底是靠什么來(lái)精密地計(jì)量時(shí)間呢？答案就是原子鐘。

近期，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出新款銣原子鐘，測(cè)得秒級(jí)頻率穩(wěn)定度為9E-14（1E-14為百萬(wàn)億分之一），百秒級(jí)頻率穩(wěn)定度為9E-15。這是目前國(guó)際上最高的銣原子鐘短期穩(wěn)定度指標(biāo)。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《電氣與電子工程師學(xué)會(huì)儀器與測(cè)量匯刊》。

揭秘原子鐘

從古至今，時(shí)間計(jì)量工具一直隨著科技的發(fā)展在不斷更新。從日晷和沙漏，再到機(jī)械鐘、石英鐘，時(shí)間計(jì)量的精準(zhǔn)度，代表著每個(gè)時(shí)代科技的最高水平。而早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)物理學(xué)家伊西多·拉比就提出了原子鐘的概念。這一概念提出不久后，世界上第一臺(tái)原子鐘在美國(guó)面世。隨后，美國(guó)、蘇聯(lián)、英國(guó)等國(guó)又發(fā)明了更為精準(zhǔn)的原子鐘。

那么，原子鐘到底是什么？事實(shí)上，原子鐘是利用量子特性發(fā)明的時(shí)鐘，它既沒有指針也沒有齒輪，有的長(zhǎng)得就像一個(gè)大桶，有的像一個(gè)盒子。它的任務(wù)是提供“秒”這個(gè)時(shí)間單位的準(zhǔn)確計(jì)量，卻不能直接顯示鐘點(diǎn)。1967年，在第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，人們用銫原子躍遷的9192631770個(gè)周期定為1秒。此后，原子鐘便成了世界上通行的精準(zhǔn)計(jì)時(shí)工具。

為什么原子鐘被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”呢？事實(shí)上，對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行，天地間時(shí)間越同步，誤差越小，定位的精度就越高。若時(shí)間誤差達(dá)到整整1秒，測(cè)距誤差將達(dá)到30萬(wàn)公里。而原子鐘的失靈對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)說(shuō)堪稱滅頂之災(zāi)。2016年，印度第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星里的3臺(tái)計(jì)量時(shí)間的鐘相繼失效，導(dǎo)致印度導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。而歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)此前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星中，也曾一度出現(xiàn)時(shí)間鐘故障，導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)一周無(wú)法給用戶提供導(dǎo)航服務(wù)。由此看來(lái)，原子鐘對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行至關(guān)重要。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的高精度銣鐘

20世紀(jì)90年代，我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程立項(xiàng)。核心技術(shù)難點(diǎn)就在于原子鐘的研發(fā)。特別是星載銣原子鐘的研發(fā)，更是擺在我國(guó)科研人員面前的一大難題。

銣原子鐘具備體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)且制造成本低等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最廣的原子鐘，在衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、電力、金融等領(lǐng)域均有應(yīng)用。據(jù)航天科技集團(tuán)五院西安分院銣鐘產(chǎn)品責(zé)任人屈勇晟介紹，銣鐘的穩(wěn)定度直接關(guān)乎導(dǎo)航衛(wèi)星的定位、測(cè)速和授時(shí)功能的精度，銣鐘的質(zhì)量和可靠性直接決定著導(dǎo)航衛(wèi)星的成敗，是北斗衛(wèi)星上十分關(guān)鍵的載荷產(chǎn)品。

當(dāng)時(shí)，掌握星載銣原子鐘技術(shù)的國(guó)家只有美國(guó)和瑞士。在這一背景下，1997年梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始致力于銣原子鐘的研究，先后研制出三代具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載銣原子鐘，批量裝備于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。值得一提的是，他和團(tuán)隊(duì)于2006年研制成功的第三代星載銣原子鐘，秒穩(wěn)定度為7E-13，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)銣原子鐘頻率穩(wěn)定度的國(guó)際紀(jì)錄。

2020年，我國(guó)新一代北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。北斗三號(hào)衛(wèi)星上采用了我國(guó)自主可控的更高穩(wěn)定度、更精準(zhǔn)的新型銣原子鐘和氫原子鐘，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星時(shí)頻基準(zhǔn)性能的大幅提高。

如今，梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)研制的新型銣原子鐘，秒級(jí)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)再次刷新國(guó)際紀(jì)錄。他表示，此次技術(shù)突破，有助于發(fā)展高品質(zhì)微波振蕩器技術(shù)和研制新一代北斗系統(tǒng)星載原子鐘。

可以預(yù)見的是，在越來(lái)越精準(zhǔn)的原子鐘支撐下，我們也必將實(shí)現(xiàn)更精確的定位，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也將運(yùn)行得更加穩(wěn)定。

（文章轉(zhuǎn)載自“我是科學(xué)人”微信公眾平臺(tái)）