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登录日期:2024-01-29 【编辑录入:lrylry】 文章出处:《光明日报》2024年1月29日第8版

把时间精确到72亿年仅偏差1秒
●重新定义“时间”标准 ●支撑世界时亚毫秒级自主测量
作者:光明日报记者 崔兴毅  阅读次数:782

张首刚(中)在与科研团队成员交流。


  “现在几点?”

  “这表准不准?”

  你知道生活中我们随口问的这两个问题,意味着什么吗?

  你一定想不到,这是两个严肃的科学问题——什么是时间?什么是标准时间?

  前不久,我国科研团队成功研制万秒稳定度和不确定度均优于5×10-18(相当于数十亿年的误差不超过1秒)的锶原子光晶格钟。在此基础上,研究团队还对锶原子光晶格钟的系统频移因素开展了逐项评定,最终得到其系统不确定度为4×10-18,相当于72亿年仅偏差1秒,已部分满足“秒”重新定义的要求,对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。

  这是一个与“时间”赛跑的故事——从研发国内首台激光抽运小型铯原子钟、系列微型化铷原子钟,到承建增强型罗兰授时系统以及差分系统、甚长基线干涉测量网,科技工作者围绕“守时—授时—用时”时间频率产业链,不断突破关键核心技术,支撑国家时间频率体系建设。

  中国科学院国家授时中心地下一层,放置着“北京时间”产生的核心设备——原子钟组和世界时测量系统,工作人员时刻关注屏幕上不断跳动的数字,分毫不差地把产生的“北京时间”发播到全国。

  “时间”,由此而来。

  但地球自转速度是越来越慢的,以地球自转为基础的世界时其实并不均匀。尤其在如今的卫星导航系统中,1纳秒(十亿分之一秒)的时间误差就会导致0.3米的距离误差。

  为获得既准又稳的时间,科研团队瞄向“精微”,利用原子基态能级跃迁特性,通过测量原子振动的周期制造出高精度时钟设备原子钟,“时间”的标准由此被重新定义。

  “‘北京时间’就是由一套几十台守时原子钟实时比对‘世界时’测量产生的。”成都天奥电子服务有限公司高级工程师董道鹏介绍,可用于守时原子钟组的激光抽运小型铯原子钟,由中国电科与国家授时中心联合研制,每30万年误差1秒,成功应用于国家标准时间产生系统、北斗卫星导航系统等重要工程,以及电力、通信和计量等重要领域。

  从“每30万年误差1秒”到“72亿年仅偏差1秒”,原子钟正变得越来越精准,满足了科技发展对时间精度的需求。但生活在地球上的人们是按照地球的自转规律(太阳升起和降落)来安排工作和生活,因此,人们离不开世界时。

  “当望远镜对准某颗恒星时,就知道它指示的准确时刻,这种方法测定的时间叫作世界时。”高精度地基授时系统天线系统工程项目总师刘鹏介绍,作为世界时测量系统的重要技术手段,近年来,甚长基线干涉测量网建设提速,上海65米口径天马射电望远镜、北京密云50米口径射电望远镜,日喀则、长白山40米口径射电望远镜等甚长基线干涉测量网建设任务,有力支撑世界时的亚毫秒级自主测量。

  “时间”有了,如何把“时间”发送出去?

  北斗卫星导航系统、长波、短波等无线电授时系统,网络、光纤、电话等有线授时系统都是常用的授时手段,而增强型罗兰授时系统是目前最可靠的地基无线电授时手段。

  巍巍高原铁臂高悬,增强型罗兰授时系统西藏那曲发射台正在加快建设。超高伞形天线绝缘设计、强度设计、低损耗设计、基于罗兰数据通道差分信息发播、大功率高效率信号产生与合成、精准发播控制……一项项关键技术的突破,让时间的传递更加精准。

  “通过在新疆库尔勒、甘肃敦煌、西藏那曲建设长波授时台,结合现有长波授时系统,以及新建的增强型罗兰授时差分系统,将实现百纳秒量级长波授时信号在全国重点区域的全覆盖。”刘鹏满是自豪。

  这只是国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统的一部分。这套系统利用我国现有的通信光纤资源,布设约300个光纤时间频率传递节点,构建了总长约2万公里、连接全国主要城市和重点用户的光纤时间频率传递骨干网。

  “依托高精度地基授时系统的建设,结合北斗卫星导航授时系统,以及空间站高精度时间频率实验系统,我国将率先建成世界上独一无二的,立体交叉、相互增强、相互融合的国家授时体系。”国家授时中心主任、首席科学家张首刚说。

  有了“守时”和“授时”,还要学会“用时”。

  这就要靠时间统一系统!当接收了北斗卫星、长波等授时信号获取精确时间后,系统就会利用提取的时间信息校准本地时钟,实时保持与“北京时间”精准同步。

  “目前,时间统一系统已被应用在通信基站、互联网等信息系统中,我们的手机、电脑只要入网就可进行时间校准,保障时间的准确性。”各行各业对时间应用的精度需求不尽相同,董道鹏举例说,高铁调度管理需要秒级精度,广播电视发播控制需要毫秒级精度,电网时间同步和故障定位、通信基站同步需要微秒级精度,卫星导航提供常规服务需要纳秒级精度……

  实现不同的精确量级,小器件大有可为!

  “只要我们在需求系统内置小型铷原子钟或晶体振荡器,并配合自研高保持智能算法,即使外部授时信号丢失一段时间,系统仍能自主保持高精度的时间信号。”中国电科10所原子钟专业室硬件工程师韦强说。

  比如星载原子钟,就是卫星导航系统的“心脏”,直接决定了卫星导航系统的定位精度。

  “北斗三号导航卫星就装载着星载铷原子钟。”韦强介绍,“我们现在不仅能研制星载铷原子钟系统产品,还拥有国内最大铷原子钟批量生产线,能够提供精确的‘原子时间标尺’。”

  精度需求永无止境,推动技术创新永不止步。“在国家需要的领域,在国家需要的时刻,去努力,去奋斗!”这是科研团队的心声,更是他们谱写“光阴的故事”的真实注脚。




荐稿人:lry  2024-01-29   执行编辑:ych 2024-01-29  责任编辑:zjy 2024-02-02

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