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把時間精確到72億年僅偏差1秒

2024-01-29 09:37:26 來源:科技日報 點擊:
 

張首剛(中)在與科研團隊成員交流。新華社記者 張博文攝

 

“現在幾點?”

“這表準不準?”

你知道生活中我們隨口問的這兩個問題,意味著什么嗎?

你一定想不到,這是兩個嚴肅的科學問題——什么是時間?什么是標準時間?

前不久,我國科研團隊成功研制萬秒穩定度和不確定度均優于5×10-18(相當于數十億年的誤差不超過1秒)的鍶原子光晶格鐘。在此基礎上,研究團隊還對鍶原子光晶格鐘的系統頻移因素開展了逐項評定,最終得到其系統不確定度為4×10-18,相當于72億年僅偏差1秒,已部分滿足“秒”重新定義的要求,對未來構建新一代全球時間基準乃至提供引力波探測、暗物質搜索的新方法等具有重要價值。

這是一個與“時間”賽跑的故事——從研發國內首臺激光抽運小型銫原子鐘、系列微型化銣原子鐘,到承建增強型羅蘭授時系統以及差分系統、甚長基線干涉測量網,科技工作者圍繞“守時—授時—用時”時間頻率產業鏈,不斷突破關鍵核心技術,支撐國家時間頻率體系建設。

中國科學院國家授時中心地下一層,放置著“北京時間”產生的核心設備——原子鐘組和世界時測量系統,工作人員時刻關注屏幕上不斷跳動的數字,分毫不差地把產生的“北京時間”發播到全國。

“時間”,由此而來。

但地球自轉速度是越來越慢的,以地球自轉為基礎的世界時其實并不均勻。尤其在如今的衛星導航系統中,1納秒(十億分之一秒)的時間誤差就會導致0.3米的距離誤差。

為獲得既準又穩的時間,科研團隊瞄向“精微”,利用原子基態能級躍遷特性,通過測量原子振動的周期制造出高精度時鐘設備原子鐘,“時間”的標準由此被重新定義。

“‘北京時間’就是由一套幾十臺守時原子鐘實時比對‘世界時’測量產生的。”成都天奧電子服務有限公司高級工程師董道鵬介紹,可用于守時原子鐘組的激光抽運小型銫原子鐘,由中國電科與國家授時中心聯合研制,每30萬年誤差1秒,成功應用于國家標準時間產生系統、北斗衛星導航系統等重要工程,以及電力、通信和計量等重要領域。

從“每30萬年誤差1秒”到“72億年僅偏差1秒”,原子鐘正變得越來越精準,滿足了科技發展對時間精度的需求。但生活在地球上的人們是按照地球的自轉規律(太陽升起和降落)來安排工作和生活,因此,人們離不開世界時。

“當望遠鏡對準某顆恒星時,就知道它指示的準確時刻,這種方法測定的時間叫作世界時。”高精度地基授時系統天線系統工程項目總師劉鵬介紹,作為世界時測量系統的重要技術手段,近年來,甚長基線干涉測量網建設提速,上海65米口徑天馬射電望遠鏡、北京密云50米口徑射電望遠鏡,日喀則、長白山40米口徑射電望遠鏡等甚長基線干涉測量網建設任務,有力支撐世界時的亞毫秒級自主測量。

“時間”有了,如何把“時間”發送出去?

北斗衛星導航系統、長波、短波等無線電授時系統,網絡、光纖、電話等有線授時系統都是常用的授時手段,而增強型羅蘭授時系統是目前最可靠的地基無線電授時手段。

巍巍高原鐵臂高懸,增強型羅蘭授時系統西藏那曲發射臺正在加快建設。超高傘形天線絕緣設計、強度設計、低損耗設計、基于羅蘭數據通道差分信息發播、大功率高效率信號產生與合成、精準發播控制……一項項關鍵技術的突破,讓時間的傳遞更加精準。

“通過在新疆庫爾勒、甘肅敦煌、西藏那曲建設長波授時臺,結合現有長波授時系統,以及新建的增強型羅蘭授時差分系統,將實現百納秒量級長波授時信號在全國重點區域的全覆蓋。”劉鵬滿是自豪。

這只是國家重大科技基礎設施——高精度地基授時系統的一部分。這套系統利用我國現有的通信光纖資源,布設約300個光纖時間頻率傳遞節點,構建了總長約2萬公里、連接全國主要城市和重點用戶的光纖時間頻率傳遞骨干網。

“依托高精度地基授時系統的建設,結合北斗衛星導航授時系統,以及空間站高精度時間頻率實驗系統,我國將率先建成世界上獨一無二的,立體交叉、相互增強、相互融合的國家授時體系。”國家授時中心主任、首席科學家張首剛說。

有了“守時”和“授時”,還要學會“用時”。

這就要靠時間統一系統!當接收了北斗衛星、長波等授時信號獲取精確時間后,系統就會利用提取的時間信息校準本地時鐘,實時保持與“北京時間”精準同步。

“目前,時間統一系統已被應用在通信基站、互聯網等信息系統中,我們的手機、電腦只要入網就可進行時間校準,保障時間的準確性。”各行各業對時間應用的精度需求不盡相同,董道鵬舉例說,高鐵調度管理需要秒級精度,廣播電視發播控制需要毫秒級精度,電網時間同步和故障定位、通信基站同步需要微秒級精度,衛星導航提供常規服務需要納秒級精度……

實現不同的精確量級,小器件大有可為!

“只要我們在需求系統內置小型銣原子鐘或晶體振蕩器,并配合自研高保持智能算法,即使外部授時信號丟失一段時間,系統仍能自主保持高精度的時間信號。”中國電科10所原子鐘專業室硬件工程師韋強說。

比如星載原子鐘,就是衛星導航系統的“心臟”,直接決定了衛星導航系統的定位精度。

“北斗三號導航衛星就裝載著星載銣原子鐘。”韋強介紹,“我們現在不僅能研制星載銣原子鐘系統產品,還擁有國內最大銣原子鐘批量生產線,能夠提供精確的‘原子時間標尺’。”

精度需求永無止境,推動技術創新永不止步。“在國家需要的領域,在國家需要的時刻,去努力,去奮斗!”這是科研團隊的心聲,更是他們譜寫“光陰的故事”的真實注腳。


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