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世上最准的是原子钟吗?其实还有更准的
发布时间:2019-09-04
 

为了精确计算时间,人类几千年来不断改进计时工具,从最早的日晷,一路进化到机械钟和石英钟,目前被认为计时最精确的是原子钟。

不过波兰科学家找到更精准的计时工具,就是宇宙中的星星,到底星星如何计时,带您去一探究竟。宇宙中的星星,不但可以计时,而且可能是人类目前已知的最准确计时工具之一。波兰科学家架设的这个脉冲星钟,就是利用脉冲星发出的规律脉冲来计时,科学家架设天文天线,接收脉冲星的脉冲后,转化为时间。这个脉冲星钟位于波兰格旦斯克圣凯瑟琳教堂内,巧合的是,距离发现钟摆定律的17世纪天文学家赫维留斯的墓地不远。


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为什么脉冲星是世界上最准的钟

时间的概念起源于人类对客观自然现象的长期认知和总结,并在生产斗争中产生和不断改进、完善和发展。历史上,秒的定义源于天文,天文时与地球自转运动周期的时标(世界时UT)及绕太阳公转运行的规律(历书时ET)密切相关。

在原子时秒出现以前,总是先定义时标再定义秒;而原子时秒定义本身是与天文历书时标(ET)有关,但它先定义原子时秒再定义原子时,以便与世界时相协调。世界时UT和历书时ET系统均是以宏观天体的运动规律为基础建立起的天文时间系统。原子时则是以微观原子能级跃迁规律产生的频率,并在对其实施精细控制的原理基础上产生的。拉比(I.Rabi)因此获得1944年度诺贝尔物理学奖。


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1955年,英国制成第一台铯束原子频率标准钟。

美国人马克维奇等在1955年~1958年利用历书时秒测定铯束振荡器的频率值,得到在一个历书时秒长的时间内,铯束振荡器的频率值为9192631770±20赫兹。

在1967年10月的第十三届国际计量大会上通过了原子时秒的定义:“秒就是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。”从而结束了天文时秒的时代。

现代原子钟的主要特征是高准确性、高稳定性、高可靠性、高连续性。时频科学家认为 :“频率和时间的显著特征是其基本定义的高度准确和测量的高度精密。对用户的钟所要求的最重要指标便是它们的频率稳定度。”对照钟的主要特征和考察上述的一些毫秒脉冲星频率源的重要特征,可以发现它们基本符合现代钟的要求,尤其在长期稳定度方面,具有明显的优势,一些毫秒脉冲星的长期稳定度已优于原子时的10-14,甚至优于10-15,为其重要应用奠定了基础。

另一方面,由于脉冲星钟的短期稳定度和准确度不如原子时,所以目前认为很难用它独立地定义一个新的脉冲星天文时秒以代替原子时秒。在MSPT测量系统中,正是利用原子钟的短期稳定度好、准确度高的优势来作为频率时间参考和守时钟。如果相对定义脉冲星时秒,也必须依赖原子时秒定义的间隔为参考,尽量使脉冲星秒长逼近铯原子时秒。由于MSPT的长期稳定度颇具优势,所以,可用它补偿原子时在长期稳定度方面的缺陷,校正、改进原子时长期稳定度,使两种时间系统相互取长补短,既保障MSPT的高精度,又使原子时的长期稳定度得到改善。


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在用脉冲星时来检验原子时的长期稳定度以前,原子时的评估只是在原子钟之间相互比较、鉴定或自我评估。脉冲星钟研究将有以下的重要意义:

1) 脉冲星钟系统的创建和实现。关键技术是建造一架能进行极弱信号检测和TOA高精度测量的百米级口径天线,这在我国将带来重大的技术突破。

2)时间计量学前沿上的交叉:脉冲星时的长期稳定度将用来检验原子时的长期稳定度。脉冲星钟的创建将对启动它与原子钟的相互验证、相互比对、并行发展及对原子时的长期稳定度的改进、修正有着重大科学理论和实践意义。

3)对时间计量科学的理论和发展是一个跨越,为微观量子频标和宏观脉冲星钟的基础研究和高技术创新研究提供机遇和实验平台。高水平的学术拓展可能会有重大开拓和广泛的应用价值。

4)可为脉冲星自主导航和脉冲星新的空间坐标系提供基础资料库(自主知识产权意义上)。对建立我国的VLBI(甚长基线干涉测量)做出贡献。如果脉冲星钟选址在秦岭腹地,位于我国中部、大地测量原点附近,将会更加有利于以上应用。

5)宇宙学前沿上的交叉:通过测量脉冲星时的长期(十年以上。引力背景变化的周期为年、十年级)变化,用以探测宇宙早期引力波事件。

6)脉冲星和射电星的巡天观测,可以期望发现更多的脉冲星和稳定度很高的MSP新天体,充实“脉冲星钟”。其它方面如高能天体物理和黑洞在内的致密天体的研究。


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在天体测量、天体物理学和物理学方面:如通过TOA精细测量可以发现地球位置对计算位置的偏差(极移,自转、公转的短周期、长周期变化等等)。总之,高度稳定的MSPTOA高精度测量可以作为一种探测工具和手段。因为凡是能够影响MSPTOA的外部因素,都应该可以通过MSPTOA的高精度测量加以深入探索和定性、定量研究。MSPTOA高精度测量的数据为高精细的研究提供了高质量的数据,为最好的研究结果提供前提条件。

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