科学探索|“秒”要被重新定义了 潘建伟团队这项“国际首次”研究功不可没
你以为的那个“一秒钟”,可能不再是你以为的你以为了 。之所以这么说,是因为中国科学技术大学潘建伟团队完成了一项“国际首次”的研究:实现百公里自由空间时频传递 。并且这项研究已经在 Nature 上发表 。
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根据实验结果来看,研究有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性,向建立广域光频标网络迈出重要一步 。
对此,中国科学技术大学张强教授表示:
将来如果放在卫星上能做洲际的时间比对,我们就可以实现新一代的“秒”定义 。
为什么“秒”要被重新定义了?
咱们现在经常提到的时间概念“秒”,是自 1976 年以来,一直由铯-33 原子钟来定义的 。
原子钟最初是英国物理学家 Louis Esseb 创造,它的工作原理是计算原子中的电子自旋的翻转频率 。
而在 1976 年这一年,科学家们通过铯-133 原子在微波频率下的跳动,重新定义了这个时间基本单位:
1 秒 = 铯原子的电子自旋翻转 9192631770 次的持续时间 。
虽然说这种方式已经够精确了,但科学家们似乎却不满足于此 。
截至目前,自然领域中对时间的测量精度已经步入 10-19 的量级 。
这种量级通俗点来讲,就是百亿年期间误差不会超过 1 秒 。
而且时间是目前七大基本物理量中测量最精确的那一个 。
但单有最精确的计时还是不够的,因为它还需要“配套”一个与之精度相匹配的时间传递技术 。
二者的重要性可以说是画等号的 。
但地面附近自由空间的环境复杂,大气中的各种扰动、湍流、链路损耗、环境变化等因素,给自由空间长距离时频传递带来了极大困难 。
此前,自由空间中的光频传输技术只能实现 10 公里量级的传输 。
而潘建伟团队要攻克的正是这一难题:
在光源方面,研制出高功率、高稳定度光输 。
在光信号收发信道方面,研制出高稳定性、高效率的光收发望远镜系统 。
还采用线性光学采样的干涉测量方式,实现了高精度的时间测量 。
最终,潘建伟团队在相隔 113 公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间,实现了万秒 10-19 量级稳定度的时频传递 。
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据张强介绍:
把我们非常精密的这种时间信号,通过这个望远镜打到这个 100 公里以外的另外一个望远镜 。
那边的话,然后我的这个信号被那边的一个同样的一个望远镜接收,接收了之后他们进行一些比较精密的时间探测 。
同时那边也会打一个同样的一个精密的光源信号也打过来,在这边也做一个同样的一个精密探测,然后两边的信号再做一个对准,做一个校正 。
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据了解,该实验在如此自由空间时频传递过程中:
时间传递万秒稳定度达到飞秒量级,频率传递万秒稳定度优于 4E-19,系统相对偏差为 6.3E-20±3.4E-19,系统可容忍最大链路损耗高达 89dB,远高于中高轨星地链路损耗的典型预期值(约 78dB) 。
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而国际计量组织计划 2026 年讨论“秒”定义的变更,也正因这项研究成果的实现,张强认为:
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