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原子げんしがね

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NIST-F1噴泉ふんせん原子げんしがね美國びくに時間じかんしきりつ標準ひょうじゅん,其確定かくていやくため3×10-16(2013ねん)。

原子げんしがね英語えいごAtomic clockいちしゅどきがね,它以原子げんし共振きょうしんしきりつ標準ひょうじゅんらい計算けいさん保持ほじ時間じかんてきじゅんかく原子げんしがね世界せかいじょうやめさいじゅんかくてき時間じかん測量そくりょうしきりつ標準ひょうじゅん,也是國際こくさい時間じかんしきりつ轉換てんかんてき基準きじゅんもちいらいひかえせいでんこう播和ぜんたま定位ていい系統けいとう衛星えいせいてき訊號。

原子げんしがねなみ使用しよう放射ほうしゃせい計時けいじ,而是使用しよう電子でんし轉變てんぺんのうきゅうどき釋放しゃくほうてき精確せいかくほろなみ訊號。早期そうきてき原子げんしがねためじょう工具こうぐてきげきほろなみこんてんさいこのみてき原子げんしがね原子げんし噴泉ふんせんちゅうひや原子げんしてき吸收きゅうしゅうこうほう作爲さくい基礎きそてき

歷史れきし

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あきらへんきゅうれい如這2004ねん出現しゅつげんてき原子げんしがねみとめため以大はばひさげだかGPS定位ていい能力のうりょく

利用りよう原子げんし遷跃らい估算時間じかんてき概念がいねんざい1879ねんくびゆかりひらきなんじぶん男爵だんしゃく提出ていしゅつ[1] 共振きょうしんてき方法ほうほうそくゆかり伊西いにし·ひしげざい1930年代ねんだい發展はってん出來でき,并成ため製作せいさく原子げんしがねてき核心かくしん技術ぎじゅつ[2]

1945ねんひしげくび公開こうかいせんしょう原子げんしたば共振きょうしん可用かよう製作せいさくがね錶。[3][4][5] だい一個原子鐘是氨微波激射器,1949ねんせいなり於美こくてき國家こっか標準ひょうじゅんきょく(National Bureau of Standards)。當時とうじ使用しよう分子ぶんしがね命名めいめい當時とうじさい精確せいかくてき計時けいじ工具こうぐただし這個原子げんしがねかえぼっゆう現在げんざいてき石英せきえいがねじゅんかく[6]

1952ねん美國びくに國家こっか標準ひょうじゅんきょく宣布せんぷりょうだい一個使用銫原子作為振動源的原子鐘。該時かねめいためNBS-1页面そん档备份そん互联网档あん)。

1955ねんだいいち精確せいかくてき原子げんししょうゆかりみちえき斯·ほこりもり根據こんきょ銫-133てき遷越せいなり英國えいこく國家こっか物理ぶつり實驗じっけんしつ[7]原子げんしがねてきしるべあきら天文學てんもんがくてきほしれき(ET)。[8]

1950年代ねんだい以來いらい原子げんしがね開始かいしもたれ氫-1、銫-133銣-87てきちょう精細せいさい遷越製造せいぞうだい一個商業化的原子鐘是National Company製造せいぞうてきAtomichron,這種原子げんしがねざい1956ねんいたり1960年間ねんかん售出いたりしょう50。這些初代しょだい商業しょうぎょう原子げんしがね巨大きょだい而笨じゅう,1964ねんさらけいたくみてきしき原子げんしがねだい[2]

1971ねん:铯原子げんし钟环だま飞行实验くび证实りょうせま义相对论,两个经过こうじゅんてき原子げんし钟在经历不同ふどう加速かそく历程きさき产生りょう误差。[9][10]

1999ねん12月29にちNIST-F1 銫原子げんしがねえいNIST-F1其不确定为1.5×10−15相当そうとう于2000まんねんいちびょうざい2013ねん,其準確度かくどためごと1おくねん/げん1びょうてき誤差ごさ(3.1 × 10−16)。1993ねんいたり1999ねん使用しようNIST-7えいNIST-7原子げんしがね确定达到5×10−15相当そうとう于600まんねんいちびょう[11]

美國びくに國家こっか標準ひょうじゅん技術ぎじゅつ研究けんきゅういんてきNIST原子げんしがねじゅん確度かくどえんじすすむ歷程れきてい

2004ねん8がつ美國びくに國家こっか標準ひょうじゅん技術ぎじゅつ研究所けんきゅうじょてき科學かがく發明はつめいりょうあきらかた尺寸しゃくすんてき原子げんしがね[12] 根據こんきょ研究けんきゅう人員じんいんしょじゅつ,這種しんてき原子げんしがねただゆう同類どうるいてき1%大小だいしょうしょ需能りょう125mW[13] いん此該原子げんしがね使用しよう電池でんちぞくこう,2011ねん技術ぎじゅつ開始かいし商業しょうぎょう[13]

2011ねん8がつ26にち,BBCほうしるべ英國えいこく國家こっか物理ぶつり實驗じっけんしつてきNPL-CsF2 銫原子げんしがねざい1おく3せん8ひゃくまんねん页面そん档备份そん互联网档あんてき時間じかん內的誤差ごさかい超過ちょうか1びょうがね(2.3 × 10−16)。這一結果在儀器儀表行業期刊Metrologiaじょう發表はっぴょう[14]

2013ねん7がつ9にちともえはじむ天文台てんもんだい物理ぶつりがくらくいばらかつ(Dr Jerome Lodewyck)りつりょうてき研究けんきゅうだんたいざい自然しぜんどおり訊」(Nature Communications)かん發表はっぴょう報告ほうこく指出さしで鍶-87原子げんしひかりあきらかくがね」(optical lattice clock)通過つうかしらげじゅんはかこころみ顯示けんじ1967ねんおこり採用さいよういたりいまてき國際こくさい計時けいじ基準きじゅん原子げんしがねかえよう精確せいかくまい3おくねんざいかい出現しゅつげん1びょうてき誤差ごさゆう未來みらい計時けいじたたえてきひかりあきらかくえいOptical latticeかねもちあらためうつし1びょうてき定義ていぎなりためしんてき計時けいじ基準きじゅん[15]

2014ねん4がつ3にち美國びくに国家こっか标准わざ研究所けんきゅうじょてきNIST-F2 銫原子げんしがねえいNIST-F2正式せいしきうえせんけい劃設けい標準ひょうじゅんため3億年的時間內的誤差不會超過1びょうがね(1 × 10−16),實際じっさい內部はかためし精度せいどため1.1× 10−16。2014ねん2015ねんさんがつゆかりくに际计りょうきょく公布こうふ測量そくりょうてき精度せいど為相ためすけとう於2おく1140まんねん1びょうがね(1.5 × 10−16)。

2014ねん8がつ7にちくに际计りょうきょく(BIPM)正式せいしき通知つうち中国ちゅうごく计量科学かがく研究けんきゅういん(NIM)とぎせい并运ぎょうてき“NIM5铯原子げんし喷泉钟”どおり过评审页面そん档备份そん互联网档あん),接收せっしゅう为国际计りょうきょく(BIPM)认可てきもとじゅん钟之いち参与さんよ驾驭くに原子げんし(TAI)。目前もくぜんぜんたま统一使用的国际标准时间是由国际计量局主导的协调世界せかい(UTC)。くに际计りょうきょくはた分布ぶんぷざいぜんたま53个国家こっか70个守时实验室てき400だい原子げんし钟所报送てきすうすえ进行平均へいきんさい利用りよう获其认可てき少数しょうすう几个国家こっか计量いんけんせいてき世界せかいじょうさいこのみてきもとじゅん原子げんし钟”すうすえ以校なぞらえ,产生こく原子げんし时(TAI),さい闰秒そく产生UTC。までこん为止,じょりょう中国ちゅうごくてきNIM5,さききさきただゆうほうこくともえはじむ天文台てんもんだい(LNE-SYRTE)美國びくにとくこく联邦物理ぶつりわざ研究けんきゅういん(PTB)よし大利おおとし日本にっぽん情報じょうほう通信つうしん研究けんきゅう機構きこう(NICT)英國えいこくにわか国家こっか物理ぶつり工程こうてい无线电技術ぎじゅつ計量けいりょう科學かがく研究けんきゅういん(SU)えいVNIIFTRI7こくてき14だい原子げんし喷泉もとじゅん钟得いたくに际计りょうきょくてき认可,参与さんよ驾驭こく原子げんし时。NIM5ざい科技かぎ国家こっか自然しぜん基金ききんてき支持しじゆかり中国ちゅうごく计量科学かがく研究けんきゅういんけんせいてきだい二型铯原子喷泉钟(NIM-CsF2),2010ねんつう过专鉴定。目前もくぜん其不确定为1.5×10−15相当そうとう于2000まんねんいちびょう中国ちゅうごく计量科学かがく研究けんきゅういんせいざい进行しん一代铯原子喷泉钟NIM6てきとぎせい目前もくぜんやめ进入调试阶段,全部ぜんぶ完成かんせいきさき时间频率确定はた达到5×10−16相当そうとう于6000まんねんいちびょう入国にゅうこく际先进行列ぎょうれつてきだいいちはしご队”[16]2017ねんあらため进后てきNIM5确定达到页面そん档备份そん互联网档あん9×10−16相當そうとう於3500まんねんいちびょう页面そん档备份そん互联网档あん)。

2016ねん2がつよし大利おおとし國立こくりつ計量けいりょう研究所けんきゅうじょよし大利おおとしIstituto nazionale di ricerca metrologica(INRiM),於2016ねん2がつ國際こくさい計量けいりょうきょく(BIPM)ほうしるべIT-CsF2 銫原子げんしがね页面そん档备份そん互联网档あん),ざい1おく8せん7ひゃく萬年的時間內的誤差不會超過1びょうがね(1.7 × 10−16),使用しよう許多きょた由美ゆみこく国家こっか标准わざ研究所けんきゅうじょてきNIST-F2けんぐみそう而成[17]

2016ねん9がつ15にち中國ちゅうごくひとこうてん天宮てんぐうごう空間くうかんじゅうよんこう空間くうかん科學かがく實驗じっけん,其中空間くうかんひや原子げんしがね誤差ごささんせんまんねん加減かげんいちびょう(1×10−15)。

2019ねん5がつ20日はつか中国ちゅうごく计量科学かがく研究けんきゅういんいん方向ほうこうざい接受せつじゅさい访时说。5月20にちだい20个“世界せかい计量”,今年ことし世界せかい计量しゅ题为“くに际单せい(SI)——根本こんぽんせい飞跃”(The International System of Units - Fundamentally better)。时间こく际单せいてき七个基本物理量之一,目前もくぜん所有しょゆう物理ぶつりりょうちゅうじゅん确度最高さいこう、应用さい广的物理ぶつりりょう方向ほうこうとおる,NIM6铯原子げんし喷泉钟目まえただしざい评定认证过程ちゅう今年ことし有望ゆうぼう投入とうにゅう使用しよう。而与NIM5铯原子げんし喷泉钟相较而げん,6ごうゆう飞跃せいてき创新发展,有望ゆうぼう达到1亿年いちびょう(3.1×10−16)甚至さらせいじゅん。“从4ごう钟、5ごう钟再いた6ごう钟,从600まんねんいちびょうしらげなぞらえ(5×10−15)いたりいち亿年いちびょうまい一次进步看起来都是微不足道的非常短时间,しか而这微小びしょうてき变化却是这个わざ术一个时代的更迭进步。”方向ほうこう感慨かんがい,这一代代的演进也很好地诠释了“计量じんてき追求ついきゅう希望きぼう时间越来ごえくえつせいなぞらえ,离时间近いちてんさいきんいちてん[18]

2019ねん6がつ25にちふかむなし原子げんしがねさまほんえいDeep Space Atomic Clock2019-036C页面そん档备份そん互联网档あん發射はっしゃくびためし。NASA噴氣ふんき推進すいしん實驗じっけんしつ(JPL)てきたくとく·ほこり解釋かいしゃくせつ,這種しんてき原子げんしがね利用りよう帶電たいでんてき汞原あるはなれ子來こらい計時けいじ,而目ぜん地球ちきゅうGPS衛星えいせいじょうてき原子げんしかねそく使用しよう中性ちゅうせいてき銣原子來こらい計時けいじよし於深そら原子げんしがね內部てき原子げんしたいゆう電荷でんか,它們かいこまざい電場でんじょうちゅういん而無ほうあずか其容かべ相互そうご作用さようしょうした,GPS原子げんしがね內部てき這種相互そうご作用さようかいしるべ致銣原子げんししつ節奏せっそう。該項首席しゅせき研究けんきゅういん、NASA噴氣ふんき推進すいしん實驗じっけんしつ(JPL)てきなんじ·舒伯とくざい新聞しんぶん發布はっぷかいじょうせつ,如果ふかむなし原子げんしがねざいふとし空中くうちゅう試驗しけんてきいちねん進展しんてんじゅん麼它最早もはやざいほん世紀せいき30年代ねんだい就可以開始かいし執行しっこう任務にんむのうため未來みらいてき單向たんこうしるべこうこう基礎きそ。宇航いんはた以用其在がつだま表面ひょうめん進行しんこうしるべこう,也可以安全あんぜん自主じしゅ執行しっこう任務にんむぜん往火ぼし以及さらとおてきふかむなし減少げんしょうあずか地球ちきゅうあいだてき通信つうしん——這將こうてん目前もくぜん航行こうこう方式ほうしきてききょだいあらためすすむ[19]

2019ねん9がつ11にちざいNatureてき两篇论文ちゅう,MasudaとうじんSeiferleとうじん共同きょうどう报告りょう⼀种新型しんがたてきかくがね(Nuclear clock),而这个时がねはん使用しよう原子核げんしかくてき两个じょう态之间进ぎょう转换。这样てきかくがね胜过现有てき原子げんしがねかくがね以应ようくらもの研究けんきゅう观察物理ぶつり基本きほん常数じょうすうてき可能かのう变化。这样てき釷-229“かくがね可能かのう达到さんせんおくねん誤差ごさちょういちびょうがねだい约(1× 10−19)てき确定せい[20]

2019ねん12月25にち中國ちゅうごく計量けいりょう科學かがく研究けんきゅういん宣布せんぷNIM6やめ完成かんせいけんはつじゅん確度かくどゆう於5400まんねん超過ちょうかいちびょう(5.8 × 10−16)[21]

2020ねん10がつ27にち國際こくさい計量けいりょうきょく(BIPM)ほうみちびけとくこくptb-csf2銫原子げんしがね页面そん档备份そん互联网档あん),ざい1おく8せん7ひゃく萬年的時間內的誤差不會超過1びょうがね(1.7 × 10−16)。ほうこくsyrte-fo2銫原子げんしがね页面そん档备份そん互联网档あん),ざい1おく3せん8ひゃく萬年的時間內的誤差不會超過1びょうがね(2.3 × 10−16)。にわか斯su-csfo2銫原子げんしがね页面そん档备份そん互联网档あん),ざい1おく4せん4ひゃく萬年的時間內的誤差不會超過1びょうがね(2.2 × 10−16)。

应用领域

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原子げんし钟的发展やめ促成そくせい许多科学かがくわざ术进れい如精确的ぜんたま区域くいき导航卫星けい统以及在互联网上てき应用,这些わざ术在很大程度ていどじょう决于频率时间标准。原子げんし钟安そうざい时间信号しんごう无线电发しゃてき位置いち们应ようざい一些长波和中波广播电台中,以提供ていきょう非常ひじょうせい确的载波频率。原子げんし钟在许多科学かがく学科がっかちゅう,如在しゃ电天文学ぶんがく长基线使用しよう干涉かんしょう测量。[22]

ぜんたま导航卫星けい

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美国びくにそら军太そら司令しれい运营てきぜんたま定位ていいけい(GPS)提供ていきょうりょう非常ひじょうじゅん确的てい时和频率信号しんごう。GPS接收せっしゅうどおり过测りょういたりしょう四个但通常更多的GPS卫星てき信号しんごうてきしょう对时间延迟来工作こうさくまい个GPS卫星いたりしょう具有ぐゆう两个つくえかず两个原子げんしあい对时间在数学すうがくじょう转换为三个绝对空间坐标和一个绝对时间坐标。[23] GPS时间(GPST)一个连续的时间标度,论上せい确到だい约14纳秒[24] しか而,だい多数たすう接收せっしゅうざい信号しんごうちゅうかいしつじゅん确性,并且仅精确到100纳秒[25][26] GPSTあずかTAI(くに原子げんし时间)かずUTC(协调世界せかい时)あい关,ただしゆうしょ不同ふどう。GPSTあずかTAI保持ほじつねじょうてきへんうつりりょう(TAI–GPST=19びょう),并且ぞうTAIいち样不执行闰秒定期ていき对卫ぼしちゅうてき车载时钟进行校正こうせい,以使其与地面じめん时钟保持ほじどう[27][28] GPS导航消息しょうそく包括ほうかつGPSTUTC间的异。截至2015ねん7がつ,GPSTUTCひさげまえ17びょういん为UTCざい2015ねん6がつ30にち增加ぞうかりょう闰秒[29][30]接收せっしゅうつくえ从GPS时间ちゅう减去此偏うつりりょう以计さんUTC特定とくてい时区值。

にわか罗斯こうてんしゅう运营てきかくらく纳斯けい(GLONASS)提供ていきょうりょうぜんたま定位ていいけい统(GPS)けい统的がえだい方案ほうあん,并且だい二个在全球范围内运行且具有相当精度的导航系统。GLONASS时间(GLONASST)ゆかりGLONASS中央ちゅうおうどう生成せいせい通常つうじょう优于1000纳秒。[31]あずかGPS不同ふどう,GLONASS时标ぞうUTC一样实现闰秒精确。[32]

とぎりゃく定位ていいけい统卫ぼし使用しようてきふとむなし无源氢作为机载计时系统的ぬし时钟

とぎりゃく定位ていいけいよし操作そうさおうしゅう导航卫星けい管理かんりきょく(GNSS)おうしゅうそら间局かず附近ふきん实现全面ぜんめん运行くつがえ盖全だまとぎりゃく于2016ねん12月15にち开始提供ていきょうぜんたま早期そうきさく战能りょく(EOC),提供ていきょうだいさん套,也是だい一套非军用的全球导航卫星系统,とう时计划在2019ねん达到完全かんぜんさく战能りょく(FOC)。[33][34]为了实现とぎりゃくてきFOCくつがえ星座せいざ标,需要じゅよう添加てんか计划ちゅうてき额外卫星。とぎりゃくけい统时间(GST)一个连续的时间标度,它是よし地面じめん站意大利おおとしとみ诺伽りゃくひかえせい中心ちゅうしん生成せいせいてきせい确定时设ほどこせ,它基于不どう原子げんし钟的平均へいきん值,并由とぎりゃく中央ちゅうおう部分ぶぶん维护,并与TAI,标称へんうつてい于50纳秒[35][36][37][34] すえGNSSつくえ构的说法,とぎりゃく提供ていきょう30纳秒てきてい精度せいど[38] おうしゅうGNSSふく中心ちゅうしん于2018ねん3がつ发布てき绩效报告指出さしで,UTC时间传播ふく精度せいど为≤7.6纳秒,这是どおり过在过去12个月ちゅうるい计样ほん并超过≤30纳秒まと标得てき[39][40]まい个伽りゃく卫星ゆう两个动式氢ほろなみげきかず两个原子げんしよう于机载计时。[41][42]とぎりゃく导航しんいき包括ほうかつGST,UTCGPST间的异(以促进互操作性そうさせいわる)。[43][44]

北斗ほくと卫星导航けい北斗ほくと2/北斗ほくと-3ゆかり中国ちゅうごく国家こっかこうてんきょく运营。北斗ほくと时间(BDT)从2006ねん1がつ1にちUTC0:00:00开始てき连续时间标度,并在100纳秒うちあずかUTCどう[45][46] 北斗ほくと于2011ねん12月在中ざいちゅうこく投入とうにゅう使用しよう使用しようりょう10颗卫ぼし[47],并于2012ねん12月开始为亚太地たいじてききゃく提供ていきょうふく务。[48] 2018ねん12月27にち北斗ほくと导航卫星けい统开はじめ提供ていきょうすえ报道てき20纳秒てい精度せいどてきぜんたまふく务。[49]くつがえ盖全だまてきだい35颗也さいきさきいち颗北3ごう卫星于2020ねん6がつ23にち发射にゅう轨道。[50]

无线电发しゃつくえ时间信号しんごう

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无线电时钟よし政府せいふ无线电的装置そうちどおり接收せっしゅうてき无线电接收せっしゅう动同本身ほんみてき时间信号しんごう。许多れい售商はた电子钟作为原子げんし钟销售不じゅん确。[51]つきかん它们接收せっしゅういたてき无线电信ごうらい原子げんし钟,ただし它们本身ほんみ并不原子げんし钟。普通ふつうてきてい成本なりもとしょう费级接收せっしゅうつくえ仅依もたれはば调制てき时间信号しんごう,并使用しよう带有小型こがた铁氧たい线圈てん线​​てき窄带接收せっしゅうつくえ(带宽为10 Hzへるつ)以及具有ぐゆうさいけい数字すうじ信号しんごう处理のべ迟的电路,いん此只のうもち以±0.1びょうてき实际确定せい精度せいどらい确定びょうてき开始。这对于使用しよう标准质量石英せきえいてき无线电控せいてきてい成本なりもとしょう费级时钟进行每日まいにちどうてき计时就足够了。[51] 仪器とう级的时间接收せっしゅう提供ていきょうさらだかてき精度せいど。距无线电发射ごと300公里くり(186英里えりてき距离,此类设备かい产生だい约1毫秒てき传输のべ迟,许多政府せいふ于发しゃ时间てきこう虑而操作そうさ发射

參考さんこう文獻ぶんけん

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外部がいぶ鏈結

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