籍工场分享 http://blog.sciencenet.cn/u/jlpemail

博文

石英钟原子钟离子钟哪一个更中? 精选

已有 1678 次阅读 2019-9-12 19:48 |个人分类:读书笔记|系统分类:科普集锦| 卫星, 时间

       最近,去了一次河南,听到了熟悉的“中”,一半感觉是乡音。也听到了专家谈论星载原子钟、离子钟。就想起了这个(宏大的)题目。典型的中原人——河南人所说的“”,超越了“优、良、中、合格、差”里面的中。


      这个话题,我起笔晚了两个月,应该是7月份写的。当时,欧盟的伽利略系统地面设备出了问题,就是原子钟不灵了。“后发议论的优势”是听听别人说了什么。

      在一些报道中,时不时看到某原子钟、离子钟几百万年差一秒、几千万年差一秒的说法。稍微有心的读者都会怀疑,人类已经制造出了可以连续运行百万年以上的超级钟表了吗? 实际上是没有。原子钟才出现多少年?才投入使用多少年?那为何会出现石英钟多少年差一秒、以及上述的夸张的说法呢?

      看了资料,发现,这夸张也是有“科学依据”的。原来是,原子钟、离子钟的秒稳定度可以达到十的负十三到十五次方。这个百万年、千万年的不差一秒,是不是这样折算出来的?

      以一项看似非常精确的指标,折算出令人怀疑的“科学结论”。这是挺能唬人的,但往往也经不起推敲。


     俄罗斯、欧盟的卫星导航设备(地面或者星载)都出现过故障。(不能保证美日印的同类产品,不出现同样的问题)授时设备本来无法做到百年万年地连续正常运行,吹嘘百万年、千万年不差一秒,不是讽刺自己吗?

image.png

                                  具备授时功能的导航卫星


     就好比,一块挂在墙上的石英钟,主人刚吹牛说自己的表多准,多少天不差一秒。客人来访时,突然发现差到了分上——原来是电池不足,停了。原子钟、离子钟的确是高技术产品,发布时间精度在一定时期内可比石英钟精确得多。但是,不能撇开使用寿命谈论钟表的精度。


      自从52年前(1967年)国际计量大会定义秒为铯133原子基态的两个超精细能级之间所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间之后,原子钟越来越受到重视了。在需要超精密测定和授时的时候,原子钟称为“一线”装备的机会越来越多。

      

      虽然成为大地测量专业的学生是这次计量大会15年后的事情,我想不到如此高端的原子钟会在37年后称为我笔下的“关键词”。从传统的大地测量为主角到时兴的卫星大地测量称为主流,用去的时间不过三十多年。30年前,卫星导航仪还是“贵族”,现在智能手机嵌入卫星导航芯片已经不是新闻,购买卫星导航仪已经不像以前那样引发某个人的“经济危机”。而一度“刷屏”的伽利略七月荡机一周”事件,曾经让人为卫星导航的未来担忧——地面设备如此脆弱、星载设备又能多“强悍”呢?

      越精密的仪器,对外界环境可能越敏感。仪器很精密,对外界环境的要求也会很苛刻。所以,不仅要看到仪器精密的优越性,也要看到优越性能的维持成本和难度。

       定义原子钟的秒容易,实现原子钟要求的“振荡”难,连续实现周期性的振荡更难,在太空中实现与保持难上加难。

      机械表、石英钟的实际使用寿命,可能会比一些原子钟、离子钟要长。尤其是配置在导航卫星上的原子钟、离子钟,由于卫星连续正常工作20年已经具有挑战性,鼓吹原子钟、离子钟百万年、千万年差一秒,实在是没有必要。不如,老老实实地说,在某种条件下实现的“钟的秒稳定度”为一比若干万。尽管这样说起来,不如百万年、千万年才差一秒来得更震撼。

      将来,如果“核钟”(文献1)走出实验室了,进入太空了,最好不要出现亿年才差一秒的说法。在短期内,核钟”的秒稳定性会比原子钟更强。那是在实验室的理想状态下,如果进入了长期的工作状态、如果进入了太空环境,“风吹草动”“风吹树动”“风吹核动”的情况都有可能出现。

      另外,(撇开空间环境不谈)一地守时设备的时间精度和另一地被授时对象得到的时间精度,不完全是一回事。就使用卫星来授时而言,如果接收机本身的稳定性和准确性“心中无数”,直接用地面或者星载原子钟的时间稳定性来标称地面接收机的稳定性、准确性,都是有失偏颇的。

       总之,本博文问题的答案也有不确定性。在共同的环境中提问,才有不荒谬的答案。如果不同的钟表、在不同的环境中,比较出的结果往往经不住追问。

       在某些情况下,机械表、石英钟可能比原子钟、离子钟,甚至核钟更泼辣,使用的年限更长久。性能特点和环境适应性,决定了它们的用户差异很大。

      就好比:快到中秋节了,街头巷尾会有一些市民谈论月饼。是买来的好?还是自制的好?这得看各人的口味。有人喜欢“洋气”的月饼,有人喜欢“村”里出产的,有人喜欢DIY。

     究竟哪个“”的月饼吃起来更可口?

     没有标准答案。

image.png

                     金水河边的测景雕塑



    同样,选择历史悠久的日晷、(可以颠倒使用的)沙漏、烟雾缭绕的香还是嘀嘀嗒嗒的怀表还计时,哪一个更好?同样没有标准答案。

        无法笼统地说,哪一个更中!

/////////////////////////////////////////////////////////////

   致谢:从(国家授时中心高级工程师)陈洪卿老师发到微信群里的链接,我才追踪到了下面的链接。


//////////////////////////////////////////////////////////////


(文献1,11 SEPTEMBER 2019 《自然》NEWS AND VIEWS  栏目文章)


BURKE.One tick closer to a nuclear clock.

https://www.nature.com/magazine-assets/d41586-019-02664-8/d41586-019-02664-8.pdf




http://blog.sciencenet.cn/blog-255-1197738.html

上一篇:宁津生院士荣获2019年度卫星导航定位终身成就奖
下一篇:我读《下町火箭》

5 杨正瓴 尤明庆 赵建民 黄永义 刘钢

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-9-20 17:48

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部