中国正研发高精度时频柜 助量子力学跨越发展

作者: 科技中心  发布:2019-10-21

中国正研发高精度时频柜 助量子力学跨越发展

听不到却恒久不变的“嘀嗒”声 专家详解导航卫星的“心脏”——原子钟

中国日报11月29日北京电记者日前从我国原子钟研制权威部门独家获悉,中国科学家正在为我国未来空间站研发的一台科学仪器将有可能为量子力学带来革命性的影响。

前不久,中国航天科工集团公司传来喜讯,该集团二院203所启动汞离子微波钟研制。作为新一代原子钟,它有望应用于下一代北斗导航卫星。

据中国航天科工集团公司第二研究院203所研究员高连山介绍,这台名为“高精度时频柜”的仪器由三部分组成,分别是氢原子钟、铷喷泉以及锶原子光钟。时频柜将会被安放在我国未来空间站中开展一系列基础物理实验,比如对里德伯常量的重新测量,而其结果将有可能极大地促进人类对于量子力学的研究。

有人可能会犯迷糊:原子钟是什么钟,跟导航有什么关系?203所星载氢钟主管设计师王文明告诉科技日报记者,原子钟就是导航卫星的“心脏”。

高连山解释说,里德伯常量是原子物理学中的基本物理常量之一,由瑞典物理学家约翰内斯:里德伯在1913年提出,对于原子光谱的研究有重要作用,而量子力学则是建立在对原子光谱的研究基础之上的。基于这些原因,可以毫不夸张地说,重新测量里德伯常量进而得出更精确的数值可以为量子力学的研究带来革命性的影响。

“从根本上说,导航的核心就是时间测量。”王文明说,在由导航卫星搭建的星地坐标系中,每个星座都有自己的坐标信息,通过测量我们与星座间的距离,就能解算出我们在该坐标系的位置。在信号传播速度已知的前提下,时间测量越精密,位置解算就越精确。

高连山说:“以往在地面环境中对于里德伯常量的测量受到一些无法避免的外部环境的影响,因而很难再把这个常量的精确值进一步提高。而太空环境赋予了我们更好的测量环境,也就使得我们有能力把它测得更精确。”

在卫星导航系统中,1纳秒的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量,只有原子钟能做到。王文明说,原子钟是通过原子这一微小量子构件,实现普通钟表一般的“嘀嗒”声。不同的是,这种“嘀嗒”更均匀,表现为一种电磁波形式,通常听不见,只有通过微波信号处理技术才能输出。

据他介绍,目前这台高精度时频柜的主动型氢原子钟原理样机已经研制成功,正在进行测试工作。

太阳成集团,如何让原子钟的精密测量为我们所用?王文明举例说,跳大绳是大家非常熟悉的运动,当有人进入匀速摇动的大绳,随着它的节奏跳动,并记录一定时间内跳动的次数,就相当于人为地将这种时间间隔进行了输出。原子内部存在着上下两个能级结构,原子在其间跃迁发出的电磁波精度非常高。如果把原子量子构件比作大绳,当我们往里注入一个电磁波,让电磁波与原子二能级发生共振,就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上。振荡器输出高精度频率信号,即可实现精密时间测量。目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟,都是基于这一工作原理。

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