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升國旗一秒不差,憑的啥?

在心理認(rèn)知和群體行為層次上,時(shí)間大概是一個(gè)最沒有標(biāo)準(zhǔn)的東西了(比如“馬上到”“等一下”這些日常用語所體現(xiàn)出來的不靠譜),而在計(jì)量層次上,時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)在各種物理量當(dāng)中可算是最精確的了。這個(gè)有趣的現(xiàn)象反映的大概是時(shí)間的約定性差異。隨著技術(shù)的高速發(fā)展,現(xiàn)代社會(huì)在逐步告別“從前慢”,這種約定差異在不知不覺縮小。人類對(duì)于準(zhǔn)時(shí)性的要求越來越高,現(xiàn)代時(shí)間計(jì)量也已從宏觀的“觀天授時(shí)”走向依賴于微觀層面的原子過程。時(shí)間認(rèn)知與人類發(fā)展的伴生問題過于復(fù)雜,我們暫且擱下 “時(shí)間都去哪了”的問題,先看看時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)從何而來。我們常常說的北京時(shí)間又是哪兒的時(shí)間?

撰文 | 張曉斐(中國科學(xué)院國家授時(shí)中心研究員,中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院崗位教授)

昨日上映的國慶獻(xiàn)禮片《我和我的祖國》講述了七個(gè)故事,其中《回歸》還原了1997年7月1日香港回歸的盛況。對(duì)于時(shí)任外交部禮賓司副司長、交接儀式總指揮安文彬來說,他最重要的任務(wù)便是保證五星紅旗在7月1日0時(shí)0分0秒準(zhǔn)時(shí)升起,一秒不差,讓香港的主權(quán)準(zhǔn)時(shí)回歸祖國。

《我和我的祖國》劇照

當(dāng)時(shí),對(duì)于7月1日0時(shí)0分0秒這個(gè)時(shí)刻,是該英國降旗還是中國升旗,中英雙方進(jìn)行了16次外交談判。這一秒代表的是中國對(duì)香港回歸的底線,必須一秒都不能差,而真正做到“一秒不差”就要依靠精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)和授時(shí)。要保障精準(zhǔn)計(jì)時(shí)和授時(shí),則不得不說中國時(shí)間計(jì)量發(fā)展中最重要的一環(huán)——原子鐘的發(fā)展,其對(duì)“一秒”的精度也有著同樣的執(zhí)著。

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時(shí)間究竟是什么?——時(shí)間的定義計(jì)量
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說起時(shí)間,每個(gè)人都會(huì)說我知道。可是,時(shí)間究竟是什么,卻總是很難說清楚。其實(shí),自從地球上出現(xiàn)人類的那天起,時(shí)間的測量一直是人類日常生活必不可少的一項(xiàng)工作。時(shí)間作為基本物理量之一,是目前測量精度最高也是人類生活應(yīng)用最廣泛的物理量。時(shí)間的單位是秒,最早的時(shí)間是以地球自轉(zhuǎn)作為標(biāo)準(zhǔn),稱為世界時(shí)。它對(duì)秒的定義是指一個(gè)平太陽日的1/86400為1秒。

后來的研究發(fā)現(xiàn),地球自轉(zhuǎn)速率并不均勻,之后經(jīng)過長期觀測后,人們采用準(zhǔn)確度更高的歷書時(shí)對(duì)時(shí)間單位“秒”進(jìn)行定義。這種基于天體測量對(duì)時(shí)間進(jìn)行定義的天文時(shí)間對(duì)人類歷史的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。然而天體的運(yùn)動(dòng)速率并不是完全均勻的,其周期也并非完全穩(wěn)定,因此對(duì)測量的精度有很大的限制,而且觀測時(shí)間長,不能很好地滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的需要。

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如何精確量出一秒?——原子時(shí)的出現(xiàn)
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隨著量子物理學(xué)(激光冷卻原子技術(shù))和激光光譜學(xué)的迅速發(fā)展,人們開始認(rèn)識(shí)到原子或分子振蕩的周期非常穩(wěn)定,其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于天體運(yùn)動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)的世界時(shí)和歷書時(shí),用其來定義秒可以使秒的精度得到極大地提高。利用原子振蕩頻率確定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),我們一般稱之為原子時(shí)[1]。1967年,第十三屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議,把原來基于天體宏觀周期運(yùn)動(dòng)的時(shí)間單位“秒” 長定義,改為基于原子內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng),將 “秒” 長定義為銫133Cs)原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)子能級(jí)間躍遷電磁輻射周期的 9192631770 倍所持續(xù)的時(shí)間。

而 “秒” 長定義的復(fù)現(xiàn)和時(shí)間頻率的精確測量則需要依靠量子頻標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。量子頻標(biāo)又稱“原子頻標(biāo)”,簡單地講,原子頻標(biāo)是應(yīng)用原子或離子內(nèi)部能級(jí)間的躍遷頻率作為參考,鎖定晶體振器(簡稱“晶振”)或激光器頻率,從而輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器。在計(jì)量學(xué)中,我們稱其為頻率標(biāo)準(zhǔn)器具,它是當(dāng)代第一個(gè)基于量子力學(xué)原理做成的計(jì)量器具。由于物體運(yùn)動(dòng)周期與頻率成反比,所以原子頻標(biāo)通常又叫原子鐘。實(shí)際上,原子鐘應(yīng)該是能夠產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)(如秒脈沖)并有計(jì)數(shù)裝置的原子頻標(biāo)。近三十多年來,隨著新物理理論和新技術(shù)成果的應(yīng)用,人們研制出了不同類型的新型原子鐘,它們已經(jīng)或即將應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[2]。

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原子鐘也有多種,如何尋找最精準(zhǔn)的原子鐘?
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(Cs)原子具有的一些屬性使其成為基于原子共振躍遷的頻率標(biāo)準(zhǔn),在20世紀(jì)50年代早期,世界上許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始了對(duì)基于銫原子的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的研制。銫原子的原子質(zhì)量相對(duì)較重,因此,它們的移動(dòng)速度相對(duì)較慢,在室溫下約為每秒130米,這就使得銫原子與微波場的作用時(shí)間較長。

此外,銫也有相對(duì)較高的超精細(xì)躍遷頻率(9.2 GHz),例如銣和氫原子的超精細(xì)躍遷頻率分別為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年,英國國家物理實(shí)驗(yàn)室 (NPL) 研制出了第一臺(tái)銫原子鐘,獲得1×10-9的不準(zhǔn)確度[3]。由銫提供的高精度和準(zhǔn)確度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了對(duì)時(shí)間單位 “秒” 的新定義的產(chǎn)生。經(jīng)過60余年的發(fā)展,目前的銫原子鐘的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了10-16,其精度接近1億年不差一秒[3]

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)、電磁囚禁技術(shù)、激光冷卻和陷俘原子技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展,以及新物理原理的應(yīng)用,新型原子鐘技術(shù)的發(fā)展十分迅速。一方面人們應(yīng)用這些新技術(shù)探索性能更高的新標(biāo)準(zhǔn),另一方面努力尋求小型化的新途徑。這些新物理原理和新技術(shù)的成功應(yīng)用,催生了以超冷原子為工作物質(zhì)的原子噴泉、離子儲(chǔ)存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鐘,使原子鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度提高了1~2個(gè)數(shù)量級(jí),甚至達(dá)到10-18。20世紀(jì)90年代后,尤其是最近幾年,這些新技術(shù)被引進(jìn)到我國,并且在國內(nèi)迅速發(fā)展,新型原子鐘的研究已經(jīng)蓬勃發(fā)展[4]

1

如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鐘

時(shí)間頻率基準(zhǔn)鐘裝置是運(yùn)行在一定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,具有自我評(píng)估能力的最高時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置,是時(shí)間頻率計(jì)量單位傳遞的源。近十幾年來,作為各國的時(shí)間頻率基準(zhǔn),傳統(tǒng)的磁選態(tài)和光抽運(yùn)大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鐘取代。

原子噴泉的基本想法如圖 1 所示,我們搭建一個(gè)豎立的真空裝置,真空中充有工作介質(zhì)(銣或銫)的飽和蒸氣,利用激光方法俘獲原子,并將其冷卻到非常低的溫度,將原子上拋。原子在上拋和下落的過程中只受到重力的作用,它兩次穿過微波腔,與時(shí)間上的分離振蕩場作用,產(chǎn)生鐘躍遷,然后探測不同能級(jí)的原子。最后獲得與 Ramsey 鐘躍遷相應(yīng)的熒光信號(hào)。應(yīng)用該熒光信號(hào)即可完成對(duì)實(shí)用頻標(biāo)的頻率鎖定。我國先后從事冷原子噴泉鐘研究的有北京大學(xué)、中國計(jì)量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院上海光機(jī)所和中國科學(xué)院國家授時(shí)中心。

圖1 原子噴泉概念示意圖

2

準(zhǔn)確度更高的冷原子光鐘

原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度均以其所應(yīng)用的量子躍遷譜線頻率的相對(duì)值來表示。與微波信號(hào)相比,光信號(hào)的頻率高,并且有一些原子或離子的光學(xué)頻率躍遷譜線很窄,其相應(yīng)的Q值(譜線質(zhì)量因子)高達(dá)1018。利用這些譜線實(shí)現(xiàn)的頻標(biāo),即光頻標(biāo),具有極高的頻率穩(wěn)定度,其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度將優(yōu)于10-18。

近些年來,原子冷卻技術(shù),尤其是光晶格原子囚禁技術(shù)的飛速發(fā)展,使基于冷原子樣品而實(shí)現(xiàn)的光頻標(biāo)擁有高準(zhǔn)確度的潛力,并且具有高信噪比和低量子投射噪聲。世界發(fā)達(dá)國家紛紛開展了基于冷原子的光頻標(biāo)研制。冷原子光鐘研究進(jìn)展非常迅速,一些實(shí)驗(yàn)室相繼報(bào)道的數(shù)據(jù)表明,其研究的冷原子光鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度性能已超越了銫原子噴泉鐘[2]

目前,鍶光鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度達(dá)到10-19量級(jí),比噴泉鐘高4-5個(gè)量級(jí)。

用于光鐘的原子多為堿土金屬原子,它們的外層軌道有2個(gè)電子,作為 “鐘” 躍遷參考的是它們的單重態(tài) 1S0  到三重態(tài) 3P0,1,2之間的躍遷,其躍遷頻率在光頻波段。用作光鐘的粒子可以是離子,如汞離子(Hg+) 、鐿離子(Yb+) 、鍶離子 (Sr+) 和銦離子(In+) 等,也可以是中性原子,如鈣 (Ca) 、鍶 (Sr) 、鐿 (Yb) 和鎂 (Mg) 原子等。其作用原理與微波諧振器類似,只不過在這里 “本機(jī)振蕩器” 不是晶振,而是穩(wěn)頻激光器。其主要構(gòu)件如圖 2 所示。

圖2 光頻標(biāo)主要構(gòu)件圖

激光冷卻的原子(離子),用穩(wěn)頻激光器的脈沖去探測,激勵(lì)被冷卻的原子產(chǎn)生 “鐘” 躍遷。用聲光調(diào)制器 (AOM) 來調(diào)節(jié)探測激光的頻率,使它接近原子的共振頻率,原子的躍遷信息由光電倍增管收集原子熒光來進(jìn)行檢測。對(duì)探測激光頻率進(jìn)行調(diào)制,原子躍遷產(chǎn)生的信號(hào)作參考通過 AOM 和伺服系統(tǒng),將探測激光頻率鎖到原子的共振中心,構(gòu)成光頻標(biāo)。激光線寬由很好隔離的光腔壓縮,并被穩(wěn)定到原子躍遷中心。光梳把激光的頻率精確地傳遞到其他光頻和微波范圍。

在我國,華東師范大學(xué)與中國科學(xué)院武漢物數(shù)所開展了鐿原子光鐘的研究,中國計(jì)量科學(xué)研究院和中科院國家授時(shí)中心正在開展鍶原子光鐘的研究(圖3)[4]。

圖3 國家授時(shí)中心鍶原子光鐘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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每一臺(tái)鐘都有自己的時(shí)間,全世界的時(shí)間如何統(tǒng)一?
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每一臺(tái)原子鐘都會(huì)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間,國際原子時(shí)是通過全球70多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的400多臺(tái)氫、銫商品原子鐘平均后,再由更準(zhǔn)確的銫、銣噴泉鐘校準(zhǔn)而獲得的。國際原子時(shí)在1958年1月1日0時(shí)與天文時(shí)對(duì)齊,它與天文時(shí)中的世界時(shí)以 “閏秒” 的形式相結(jié)合,產(chǎn)生 “協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)”,并供全世界使用。世界上的每個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室都通過地球同步衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì),或全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (GNSS) 時(shí)間比對(duì)的方式與國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)齊,當(dāng)所有守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間都與國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步后,全世界的時(shí)間自然也就一致了。

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北京時(shí)間究竟是哪的時(shí)間?
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我國幅員遼闊,橫跨5個(gè)時(shí)區(qū),為了方便人們的日常生活和時(shí)間管理,需要定義一個(gè)全國(包括香港、澳門、臺(tái)灣)人民通用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間!清朝光緒28年(1902年),中國海關(guān)制定海岸時(shí),將東經(jīng)120度的時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間;民國28年(1939年)3月9日,中華民國內(nèi)政部召集標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間會(huì)議,確認(rèn)將東經(jīng)120度的時(shí)間作為 “中原標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”;在中華人民共和國成立(1949年)之后,將 “中原標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間” 改稱為 “北京時(shí)間”!

也就是說,“北京時(shí)間”是東經(jīng)120度的時(shí)間,而北京位于東經(jīng)116.4度,因此,北京當(dāng)?shù)貢r(shí)間與北京時(shí)間相差約14分半鐘;而杭州地處東經(jīng)120.2度,因此,杭州本地的時(shí)間與北京時(shí)間最接近。我國的首都是北京,從某種意義上來說,北京就是中國的象征,因此將我國的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間稱之為 “北京時(shí)間”。北京時(shí)間是由位于陜西省西安市臨潼區(qū)的中國科學(xué)院國家授時(shí)中心負(fù)責(zé)產(chǎn)生、保持和發(fā)播的(圖4-5)。

圖4 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心

圖5 我國時(shí)間基準(zhǔn)保持系統(tǒng)

將北京時(shí)間即國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)播給大家,也是中國科學(xué)院國家授時(shí)中心的一大職能——授時(shí)?,F(xiàn)如今的授時(shí)手段是多樣化的,比如長短波授時(shí)系統(tǒng)、低頻時(shí)碼授時(shí)、互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)、衛(wèi)星單向授時(shí)、衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞、光纖傳遞等,授時(shí)方法不同,授時(shí)精度也有所不同,用戶可以根據(jù)自己的需求選擇不同的授時(shí)(圖6)。

圖6 各種授時(shí)方法的比較

各類時(shí)間用戶通過長短波、低頻時(shí)碼和衛(wèi)星導(dǎo)航等定時(shí)接收機(jī)獲得時(shí)間信號(hào)后,將其廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。例如,

  • 交通部門需要精確的時(shí)間來進(jìn)行調(diào)度

  • 通信基站間需要精確的時(shí)間來維持通信電路時(shí)序

  • 衛(wèi)星的發(fā)射需要精確的時(shí)間來確保衛(wèi)星正常入軌

  • 供電站需要準(zhǔn)確的時(shí)間來監(jiān)測其故障點(diǎn)

  • 金融機(jī)構(gòu)之間需要準(zhǔn)確的時(shí)間來完成安全交易

我們和好朋友約會(huì)時(shí),大多以分來確定時(shí)間就可以了,而現(xiàn)在各行各業(yè)對(duì)時(shí)間精度提出了更高要求,需要達(dá)到秒、毫秒、微秒、納秒,甚至是皮秒量級(jí)[6]。

至此,相信大家對(duì)時(shí)間,原子鐘和北京時(shí)間已經(jīng)有了總體上的了解,對(duì)它們重要性以及相互之間的關(guān)系也不再陌生了。最后,歡迎各位小伙伴參觀位于西安市臨潼區(qū)的中國科學(xué)院國家授時(shí)中心(“首批中國十大科技旅游基地”之一),走進(jìn)時(shí)間科學(xué)館(我國唯一的時(shí)間主題科學(xué)館,縱覽古今中外授時(shí)儀器和授時(shí)技術(shù)發(fā)展),感受“大科學(xué)裝置”和“北京時(shí)間”的脈搏。 

參考文獻(xiàn)

[1] 劉輝,應(yīng)用于鍶光鐘的激光技術(shù)及光譜探測研究 [D],中國科學(xué)院研究生院(國家授時(shí)中心), 2016.
[2] 張首剛,新型原子鐘發(fā)展現(xiàn)狀,時(shí)間頻率學(xué)報(bào),2009,32(2):81-9.
[3] 郭陽,鍶原子光晶格鐘自旋極化譜線的探測 [M] ,中國科學(xué)院研究生院(國家授時(shí)中心), 2018.
[4] 翟造成,楊佩紅,新型原子鐘及其在我國的發(fā)展,激光與光電子學(xué)進(jìn)展,p21-31,2009.03
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