1、茫茫大海需要原子鐘作為向?qū)?/strong>
時間的計量對于人類來說實在太重要了。20世紀初,早期的航海家們都是依靠星空圖來駕馭自己的航線,他們需要知道準確的時間來仰望天空,確定船只不會偏離航線,所以需要在船上安裝精確的時鐘。當(dāng)時普遍使用的海事計時表,是依靠彈簧驅(qū)動的機械表,每天會有零點幾秒的誤差?!?/span>
到了21世紀,隨著海上行程越來越長,對時間精確性要求越來越高,原子鐘隨即應(yīng)運而生,這種走時精準的計時工具取代了舊式的彈簧鐘和搖擺式時鐘?!?/span>
原子鐘通常使用銫原子或銣原子的自然震動,可以提供穩(wěn)定的滴答聲,目前最好的原子鐘,在幾百萬年的時間里誤差也不會超過1秒,非常精確?!?/span>
最近,美國航天局基礎(chǔ)物理項目組的科學(xué)家們表示,他們已經(jīng)將原子鐘的誤差進一步縮小。許多人認為,這樣精確的原子鐘似乎與普通百姓關(guān)系不大,只屬于高端科技。事實上,原子鐘的用途很多,除了驗證地心引力理論、指導(dǎo)太空飛船外,還能解決許多現(xiàn)實問題?!?/span>
2、原子鐘與全球定位系統(tǒng)
目前的全球定位系統(tǒng)分為:美國GPS衛(wèi)星系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、歐洲伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)等三個全球衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng),全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。按目前的方案,全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24個高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成,每一個衛(wèi)星裝載有4個原子鐘,通過從三個不同角度測量軌道傳來的時間信號,使地面上的全球定位系統(tǒng)接收器能夠精確判斷自己所在的位置。在軌道中運行的這些原子鐘,只要出現(xiàn)微小的不穩(wěn)定性,就會造成地上接收器測量結(jié)果發(fā)生幾米的誤差,為了減少這種誤差,必須縮小原子鐘的體積和增加原子鐘的穩(wěn)定性?!?/span>
全球定位系統(tǒng)人造衛(wèi)星上的原子鐘已經(jīng)非常穩(wěn)定,誤差只有1/1012秒,也就是說,每過32000年,原子鐘誤差才會達到1秒鐘。而在不同行星之間飛行的太空飛船上的原子鐘,其精確度更高,已經(jīng)達到了1/1014秒。最近,美國科學(xué)家們宣布,他們已經(jīng)設(shè)計出穩(wěn)定度為1/1015秒更精確的原子鐘?!?/span>
原子鐘“登”上國際空間站
在穩(wěn)定度為1/1015秒的原子鐘設(shè)計過程中,一種叫做“激光制冷”的新技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。上個世紀90年代,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),向原子發(fā)射激光束可以冷卻原子,將原子的溫度降到絕對零度即零下273.15攝氏度,由于低溫使得原子的自然震動頻率能更精確地測量,這樣冷的原子成為原子鐘最好的“鐘擺”。
如果冷原子適合做“鐘擺”,那么移動的冷原子更加合適。由于國際空間站處于失重狀態(tài),可以為原子鐘提供這樣的條件,在冷卻過的失重的原子鐘內(nèi),緩慢移動的原子能夠維持更長時間的穩(wěn)定性,而且在震動中撞擊容器壁的可能性更小?!?/span>
科學(xué)家們表示,一種名叫PARCS的激光制冷原子鐘有望于今年末或明年安裝到國際空間站中,這一原子鐘將成為有史以來最穩(wěn)定的鐘表,誤差為1/1016秒,即每3億年只有1秒鐘的誤差。而且,PARCS也會為安裝在2006年的國際空間站上的新一代原子鐘進行技術(shù)上的準備,掃清各種技術(shù)上的障礙??茖W(xué)家們在國際空間站上安裝穩(wěn)定性為1/1017秒的原子鐘,命名為RACE,每運行30億年,才會產(chǎn)生1秒鐘的誤差。
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