揭秘“时间魔盒”原子钟：三切切年误差小于一秒

当人类意识到韶光的流逝，便开始利用周期性征象对韶光进行追踪。

远古期间，人类通过草木枯荣剖断时令，通过不雅观察太阳、玉轮在天空中的运动来判断韶光，日出而作，日落而息。
后来，人们探索出了通过滴水来计时的水钟，流沙计时的沙漏等。
二战后，美国国家物理实验室研制出了天下上第一台原子钟，但这个钟须要一个房间的设备，繁芜度过高，实用性不强，但代表了人类一个历史性的超过。
1967年，秒长的定义溯源到了原子上。
此后，各种原子钟相继问世，成了目前天下上最准确的计时工具，实用性也越来越高，能够知足多种场景的运用需求。

原子钟实在离人们日常生活很近。
例如，原子钟在卫星导航系统中发挥着“心脏”般的浸染。
卫星导航使人们的日常生活变得非常便捷，当我们拿脱手机打开导航软件，能够看到自己的地理位置，输入目的地，导航软件能够方案路线，且实时见告我们须要向左转还是向右转。
这是如何做到的呢？

我们先来看一下卫星导航与定位的事理。
在三维空间中，建立坐标系，当已知3个点的坐标以及第四个未知点分别与已知点之间的间隔，那么未知点的坐标就可以被确定。
同理，当我们在地球上仰望天空，至少能够同时看到3颗卫星，卫星翱翔在自己的轨道上，它的运行轨迹被编入星历，同时吸收3颗卫星发来的星历，经由解算，可以知道卫星的位置。
此外，还须要知道我们与卫星之间的间隔，物理学知识见告我们，间隔即是速率乘以韶光，光传播速率是每秒30万公里，以是只须要知道旗子暗记传播韶光就可以了。
此时，我们创造，导航定位的关键便是韶光的丈量。

这就须要原子钟隆重登场了，每颗卫星及地面站里都配备了一组原子钟，韶光旗子暗记随星历一同发送，在解算卫星位置的过程中，也能够同时得到韶光信息以及间隔。
这样，我们的位置便可以被打算出来。

日常生活中的手机等电子产品，常日内置了导航模块，能够实时吸收卫星发射的旗子暗记并依据一定的算法进行解算。
于是，便有了我们对自身位置的实时掌控。
如果原子钟供应的韶光偏差在1微秒，那么定位偏差将高达300米。
如果要达到米量级的导航，在不考虑其他偏差成分的情形下，原子钟供应的韶光偏差需保持在3纳秒。
也便是说，韶光的精密丈量决定了导航定位的精度，如果没有原子钟，就无法实现准确导航了。

原子钟究竟有多准呢？让我们来跟常见的机器腕表、石英钟比拟一下。
当我们带着机器腕表开着车，绕着北京四环跑1圈，大概1个小时吧，机器腕表就偏差了1秒；对付石英钟来说，偏差1秒差不多须要270年，也便是说，如果我们带着一块石英钟回到清朝，在乾隆下江南偶遇夏雨荷时送给她，那么，到2022年的本日，这块表只偏差了1秒；原子钟偏差1秒须要多久呢，3000万年！
如果我们送给地球上末了一只霸王龙一台原子钟，那么到本日，这台原子钟只偏差了2秒。

放眼元素周期表上100多种元素，适宜研制原子钟的只有10余种，而这些原子，又有着不同的脾气与秉性，须要被小心翼翼地区别对待。
因此，捉住原子之后呢，科学家还要担保它们不被外界磁场、电场、温度变革等打扰。
一台原子钟的繁芜程度大概会超出人们的想象，可能会用到数十颗螺丝钉，数百个电子元器件，经由上千次测试验证，凝集着无数科研事情者的心血。

浩瀚宇宙中藏着未知的秘密，我们渴望知道黑洞里面是什么样子，我们渴望看到引力波的痕迹，我们也渴望与地球外的生物对话，这些对未知的神往，使人类从未停滞对韶光频率丈量精度的追求，原子钟精度的记录还在被不断刷新。
一台台做事生活的原子钟，是航天奇迹事情者不懈努力的结果，是连续提高的动力，更是航天精神的映照。

朱玺（中国航天科工二院203所设计师） 来源：中国青年报

来源：中国青年报