精准计时的历史 从微波钟到光钟
我们首先来看一个问题:一秒有多长?计时工具的精度与科技并肩提升。日晷将一天分割为若干个时或时辰,机械钟进一步将一天分割成1440分或86400秒。作为计时工具,不同厂家制造的钟表必须用同一个计时标准校准,因此,人们想到了地球的自转。然而,地球每自转一圈所需的时间都会比上
《精准计时的历史 从微波钟到光钟》由9gexing.com整理发布。
我们首先来看一个问题:一秒有多长?
计时工具的精度与科技并肩提升。日晷将一天分割为若干个时或时辰,机械钟进一步将一天分割成1440分或86400秒。作为计时工具,不同厂家制造的钟表必须用同一个计时标准校准,因此,人们想到了地球的自转。然而,地球每自转一圈所需的时间都会比上一圈增加几微秒,也就是说,地球会越转越慢,1秒也会变得越来越长。这样看来,天体运行并不适合作为计时标准。
1927年,石英钟问世了。科学家发现,切割成特殊尺寸的石英晶体在通电后能以固定频率振动,即每秒32768个周期。因为这个频率值是2的整数次幂(215),所以二进制计数芯片可以很容易处理它:计数芯片每数32768次振动,就产生1赫兹电信号,让秒针向前移动一格。
原子秒到来可即便已经十分精准的石英钟依然存在不足:温度和压力的变化会稍稍改变石英晶体的振动频率,这种误差让石英钟无法满足量子物理实验和电视直播等领域对计时精度的严格要求。因此,发明精度更高的计时工具成了当务之急。
1955年,英国科学家埃森和帕里制造出了第一台铯原子钟。当处于特定频率的微波辐射下时,铯原子的电子会在不同能级之间反复跃迁,并产生振动频率固定的电磁波,其频率不但远超石英晶体的频率,而且同种原子的同一种跃迁释放的电磁波频率是固定的。以这种固定频率电磁波作为谐振子的计时工具将实现前所未有的超高计时精度。事实也的确如此:埃森和帕里制造的这台原子钟,每300万年误差仅为1秒。虽然这台原子钟的设计目的只是为了校准石英钟,并且只能运行几天,但是埃森和帕里相信,原子钟能够提供比天体运行或石英钟更准确的时间参考。他们甚至发出了“天文秒已死,原子秒到来”的感慨。
1960年,国际度量衡大会对1秒的定义为:1960年地球自转一周所需时间的1/86400。然而这个标准只使用了7年。在1967年召开的第13届国际度量衡大会上,与会代表同意将1秒的官方定义更改为“铯原子133同位素基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射周期的9192 631770倍的时间”。该定义所采用的原子钟的跃迁频率在微波频段,因此这种原子钟也被称为微波钟。
从微波钟到光钟科学家很久以前就发现,铯的跃迁频率还不是最高的,镱或锶的跃迁频率比铯高4~5个数量级。如果以镱或锶作为原子钟的核心,那么原子钟的计时精度将进一步提升。由于镱或锶的跃迁频率处于光学频段,这类原子钟也被称为光学原子钟(简称“光钟”)。目前最先进的光钟——Yb-2,可以达到运行200亿年误差不超过1秒的计时精度。
光钟在为计时精度带来飞跃的同时,也引出了新问题:它的计时精度已经大大超过对时间的现有定义。在预计于2026年召开的下一届世界度量衡大会上,来自全世界的科学家代表将投票表决是否更改现有的时间定义。
新时间标准的确定取决于采用什么类型的光钟。目前全世界正在研发的新型光钟不下10种。光钟之间的区别不仅在于其内部元素,更在于其所采用的设计架构。其中一种较为领先的设计架构是光晶格原子钟,其原理是同时测量约1万个中性原子的跃迁频率,以获得稳定且灵敏的读数。Yb-2就属于光晶格原子钟。另一种设计架构是单陷阱离子原子钟,通过测量处于隔离状态的单个带电离子的跃迁频率计时。
那么,超高精度的原子钟有什么用呢?毕竟,如果只是看个时间,我们并不需要千万亿分之一秒或更高的精度。其实,高精度原子钟的用途非常广泛,其中和我们关系最密切的是卫星定位系统和网络。现有定位卫星内置高精度的铯原子钟。原子钟的精度越高,定位结果越准确。我们使用的宽带网络需要原子钟提供时间标准,带宽越高则对原子钟的要求也越高。此外,对地震的及时预测,乃至深空观测,都需要超高精度的原子钟。
到此,这篇标题为《精准计时的历史 从微波钟到光钟》的文章就结束了,如果还没回答你的疑问,你可以在底下相关文章中查找,或者在个性儿童网中搜索查看。
相关阅读
-
《三国演义》中的“五虎上将”在历史上确有其事吗
《三国演义》中塑造了无数英雄豪杰,而其中最为人称道的莫过于蜀汉刘备麾下的“五虎上将”,他们分别是:关羽、张飞、马超、黄忠、赵云。这五位大将为刘备的蜀汉霸业立下了汗马功劳,也都是东汉末年数一数二的将领。但是,我们不禁要问,在历史上的三国时期,“五虎上将”是确有其人还是纯属
[db:短标题]0万+ -
中国是应用指纹的发源地
现代生活中,很多地方都需要用到我们的指纹。我们在电视剧中也经常能够看到通过指纹侦破犯罪案件的镜头。那么,应用指纹的发源地在哪里呢?1927年,德国罗伯特·海因德尔在《指纹鉴定》一书中断定,中国唐代的贾公彦是世界上提出用指纹识别个人身份的第一个学者。而实际上,中国应用指纹
[db:短标题]0万+ -
【辟谣】长期喝牛奶会导致乳腺癌吗?
流言:有传言称,在《国际流行病学杂志》上发表了一项研究的报道“喝牛奶可能会导致乳腺癌”。该研究调查了50000多名美国女性,随访了7.9年,出现了1057例乳腺癌病例。因此网络上便有了“不能喝牛奶,会得乳腺癌”的说法。那真相果真就如研究结果所说的那样吗?真相:该研究并不
[db:短标题]0万+ -
最早记载左撇子占人口比例的典籍
《圣经·士师记》中写过一场以色列人的内战。以色列一个支派利未人的妾被另一个支派便雅悯人强奸致死,以色列各派群起讨伐。便雅悯人点出持刀战士26000人应战,另有700名左撇子精兵,能用机弦甩石打人,毫发不差。按这个记载估算,非左撇子和左撇子的比例是37:1,左撇子的比例远
[db:短标题]0万+ -
量子计算机可以取代传统计算机吗
2020年12月4日,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机"九章",实现了具有实用前景的"高斯玻色取样"任务的快速求解。据现有理论
[db:短标题]1万+ -
微小的太空垃圾 破坏力却惊人
2016年,欧洲航天局宇航员蒂姆·皮克分享了一张照片。照片中,国际空间站(ISS)的一扇玻璃窗上有一道大约0.25英寸长的凹痕。这凹痕是怎么来的呢?——微小的太空垃圾造成的。可能是人造卫星上脱落的一小片油漆碎片或金属碎片,这些残骸宽度仅为千分之几毫米,甚至不会比一个大肠
[db:短标题]0万+
热门文章
-
杨靖宇将军的英雄事迹
杨靖宇,本名马尚德。1905年生于河南确山县李湾村。1923年秋考入河南省立第一工业学校。受地下党员、进步老师的影响,积极投身“五卅”运动, 1926年加入中国共产主义青年团
杨靖宇烈士的故事2892万+ -
白雪公主和七个小矮人睡前故事完整版在线听
白雪公主与七个小矮人是迪士尼的经典儿童故事,也是很多人都听说过的故事。那么白雪公主与七个小矮人到底讲了什么呢?最后白雪公主和七个小矮人怎么样了呢?快来看看个性儿童网为大家准备的白雪公主和七个小矮人睡前故事完整版吧!
白雪公主和七个小矮人的故事2568万+ -
国际主义战士白求恩的故事
1938年1月,白求恩受加拿大共产党和美国共产党的派遣,率领一支医疗队,不远万里来到中国,支援中国人民的抗日战争
白求恩的故事1596万+ -
温馨感人的母子故事:无法停顿的母子亲情
2014年10月,郭敏参加了在北京举办的失独母亲联欢会。在这次聚会上,面对着来自天南海北的失独母亲,郭敏谈起了自己坎坷的过去。她那百
无法停顿的母子亲情1596万+ -
卫国戍边英雄团长祁发宝的光荣事迹
祁发宝,一个守卫边疆的战士,一个铁骨铮铮的汉子。在中印边界发生冲突中,为了捍卫国土,他身先士卒,身负重伤。这些事迹让全国人民都记住了这个令人敬佩的英雄团长
祁发宝的光荣事迹1247万+ -
世界上最早栽培稻、粟和黍的国家
中国。我国是世界上最早种植粟的国家之一,距今6000年前的半坡居民已种植粟、白菜、芥菜等农作物,住半地穴式房屋,已经饲养家畜,制作彩陶。
最早栽培稻、粟和黍的国家896万+ -
陈延年的英雄故事:碧血映红旗
1927年7月4日,敌人将陈延年秘密押赴刑场。面对敌人高高举起的屠刀,他昂首挺胸,傲然站立,视死如归
陈延年碧血映红旗的故事883万+ -
《拔萝卜》绘本故事完整
通过大家一起拔萝卜启发我们人多力量大同伴之间应该相互合作的道理。
拔萝卜的故事880万+ -
抗联八女投江的英雄故事
在黑龙江省牡丹江市,邻江耸立着一座八女投江纪念碑。人们永远不会忘记,在那艰苦残酷的抗日战争中,有八位年轻的抗联女战士,在这里悲壮殉国
八女投江的英雄故事868万+ -
迎接北京冬奥会手抄报图片及内容简单漂亮
今天小编分享一组迎接北京冬奥会手抄报图片及内容简单漂亮,喜欢的朋友,点住图片保存起来,以后老师布置小报作业,随时都可以拿出来欣赏借鉴。
北京冬奥手抄报805万+