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中国研制铯原子喷泉钟精度3000万年不差一秒

2013-10-22 15:40:09 来源: 中国科学报   文字大小:   [举报] 已有评论(0)

 
 
 



    国家原子时比对测量系统



    锶原子光钟装置



    授时天线
 
 
 
 

  如今,电子商务网站会定期发布一些价格低廉的商品,往往一上架就被抢购一空,有时只用一秒钟,于是有了“秒杀”这一销售噱头。


 
 

  在人类日常生活中,当时间精确到秒时,已经让人感觉很短暂,然而在很多领域,可能还需要使用更精确的时间,比如百分之一秒的差别将决定田径运动员胜负、炮弹的发射精度需要达到千分之一秒、雷达甚至需要百万分之一秒的时间精度,这就要不断地提高计量时间频率的精度。


 
 

  中国科学院时间频率基准重点实验室正在为更高精度的时间而努力,同时他们还需要传递和保持产生的时间。


 
 

  守候时间30年


 
 

  时间频率基准重点实验室首席研究员董绍武在自己的岗位上工作了整整30年。记者是在一个装满仪器的实验室里见到董绍武,后来才知道实验室里那些仪器上跳动的红色数字就是中国标准时间。


 
 

  这些时间并不是完全相同,经董绍武介绍,其中既有中国标准时间——北京时间,也有国际原子时,还有协调世界时,也叫格林威治时间,协调世界时UTC是当前的国际标准时间,与北京时间相差8小时。目前的世界时通过地球自转测量获得,比原子时慢35秒。


 
 

  董绍武介绍,从1958年1月1日开始,原子钟时间与地球自转时间对准,但因为地球自转的减慢,导致1秒的长度发生变化,不再“准时”,于是就需要隔一段时间人为给原子钟时间增加或减少1秒,即闰秒。


 
 

  别小看了这样1秒,在通信、证券、航空、地震勘探等领域,这1秒的影响无法忽视。尤其是在航天领域里,飞船1秒就要飞将近8公里的路程,可谓失之毫厘谬以千里。


 
 

  因此,在董绍武的实验室里还有我国北斗时间和美国GPS时间,虽然他们与协调世界时间不一致,但却是自己领域里的参考时间。


 
 

  目前,时间频率基准重点实验室采用23台铯原子钟和3台氢原子钟组成守时钟组,之所以有两种原子钟,董绍武指出,因为铯原子钟长期稳定性好,但短期波动性较大,而氢原子钟短期稳定性好,长期则有频率漂移。结合使用,可以保障原子钟产生的时间在长短期内保持稳定。


 
 

  “相比时间的产生,守护时间更难。”董绍武说,“我们的实验室既要产生我国的标准时间——北京时间,还需要将产生的北京时间与国际标准计量院BIPM的标准时间进行比对。国际标准时间也有我们的贡献,我们是国际原子时的重要实验室之一。”


 
 

  董绍武每天的工作就是守护好实验室里这些仪器上跳动的数字。守时30多年来,最让他欣慰的是这些跳动的时间数字从来没有发生异动,一直准确、稳定地为国家服务。


 
 
 
 

  用爱传递时间


 
 

  在时间频率基准重点实验室里,有一对研究员夫妻,他们先后在德国马普所和丹麦从事科研工作,后来决定回国,来到时间频率基准重点实验室。


 
 

  妻子董瑞芳原先从事量子光学和量子信息学的研究,回国后没有延续原来的研究,而是沿着量子光学和时间频率的交叉学科,开展前沿性研究,探索最高精度的时间传递。


 
 

  丈夫刘涛延续了博士和德国博士后研究方向,工作内容变化不是很大,不过他笑谈:“自己是时间的生产者,妻子则是时间的传递者。”


 
 

  时间频率基准重点实验室主任张首刚说:“刘涛从事的是眼下可以投入应用的研究,而妻子董瑞芳开展的是未来前沿工作。”


 
 

  回国前,刘涛曾两次回国考察国内情况,最终选择了位于西北小县城的国家授时中心,加入时间频率基准重点实验室,并且还根据国家需求调整了自己的研究方向。张首刚对他俩的评价很高:“从出国到回国,放弃大城市,来到我们这里,面对一系列艰苦的条件,他们都没有抱怨。”


 
 

  “相比德国的科研氛围,尽管国内会存在一些不足,但我们还是看到了进步的地方。”董瑞芳告诉记者,“我们这里的平台比国内其他地方还是很不错的,这也是我们愿意留下的原因。”


 
 
 
 

  做自己的实验


 
 

  与刘涛夫妇一样,姜海峰博士也是从国外回来,他先在法国取得博士学位,然后去了美国学习和工作,研究专长在仪器领域。


 
 

  因为刚回国不久,姜海峰自己的实验室还在建设中,国家授时中心科研楼前摆放的工程材料,就是为给这位新进研究员搭建实验平台使用。


 
 

  不同于刘涛董瑞芳夫妇,姜海峰是自己孤身来到时间频率基准重点实验室,妻子和孩子则远在上海。他的情况跟实验室主任张首刚相似,都是为了工作而与家人分居两地。


 
 

  姜海峰坦言,从实验条件比较,这里远不如自己在美国的实验室。然而,在国外漂了那么多年,取得了一定的成果,作为炎黄子孙,希望回国能够继续从事喜欢的实验和科研工作,成就一番自己的事业。


 
 

  在很多回国科研人员的眼中,相比10年前,我们的科研条件已经有很大进步。尽管目前我国的时间频率研究据国外先进水平尚有一定的差距,但我们在努力,总有值得期待的那一天。


 
 

  张首刚指出:“摆钟一天快慢为千分之一秒;我们研究的光抽运小铯钟精度可达30万年不差1秒,铯原子喷泉钟精度可达3000万年不差1秒;未来还将研制出30亿年不差1秒的光钟。”


 
 

  这些都需要不懈的努力来实现。“从实际待遇上我们可能竞争不过国内其他的科研单位,但我们能给的是国内最好的实验条件和宽松的氛围,让科研人员在些实现科研理想。”张首刚说。


 

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