新華社合肥9月25日電(記者劉美子)時間和我們的生活息息相關。從“觀象授時”概念的萌發,到依靠日晷和水鐘來計量,再到高精度原子鐘的誕生,在歷史長河中,人類對時間測量的極致追求從未停步。
全國科普日期間,記者在中國科學技術大學採訪時看到,這裡的科學家們不僅在探究早期人類天文觀的形成上追根溯源,也在基於量子精密測量技術不斷突破中構建着當前國內指標優良的光鐘系統,給出世界“一秒究竟有多長”的中國答案。
日升月落,斗轉星移,在中華民族形成發展的漫長歲月裏,人們早期通過“觀象授時”獲取時間。
考古學研究證明,距今七千多年前,我國古代天文學就已經開始萌芽,先民在大自然的生活之中形成了對日月星辰和晝夜四季的認知。
在距今5800年到5300年的安徽含山凌家灘遺址,一份刻着複雜圖形符號的“無字天書”靜靜地躺在墓坑中。一塊玉版夾在玉龜中,玉龜上鑽有數個左右對應的圓孔,玉版中心是八角星,外部琢有圓圈。
這些紋飾被認為和“觀象授時”有關,代表太陽、四季、八個節氣和方位。“凌家灘玉版具有明確的紀日功能,形成了一種原始的太陽曆系統。”中國科學技術大學科技史與科技考古係教授石雲裏近日發布了最新研究報告。
古人對於“觀象授時”的考古實證遠不止於此。翻閱文獻典籍,早在《尚書·堯典》中就有記載“乃命羲和,欽若昊天,歷象日月星辰,敬授人時”,“觀天象、授人時”的觀念上古就已形成。
“觀象授時”更與農耕文明的演進同頻。中國現存的農事歷書《夏小正》,按十二月的時序記載了天象、氣象、物象;西漢淮南王劉安的《淮南子·天文訓》,最早對二十四節氣進行完整總結。
西漢之後,十二時辰制和百刻製進一步將時間測量精細化,一套完整的時間測量體系逐漸清晰。元代著名天文學家郭守敬把一個回歸年周期精確到365.2425天,這與現代科學推算的周期相比只相差26秒。
“從利用周年運動劃分季節到利用原子能級躍遷定義‘秒’,人們一直在追尋更均勻的、可測量的、不間斷的運動來計量時間,直至今天,精準授時成為一個國家競爭力的重要標誌之一。”中國科學技術大學科技史與科技考古係教授鈕衛星説。
從研發國內首&激光抽運小型銫原子鐘、系列微型化銣原子鐘,到承建增強型羅蘭授時系統以及差分系統,中國科技工作者多年來不斷推動國家精確授時體系建設。
由於量子精密測量技術的發展,許多國家研製的光鐘的準確度已經超過當前復現秒定義所使用的銫原子噴泉鐘準確度100倍。因此,國際計量委員會(CIPM)正在就實現“秒”的重新定義進行進一步準備。面對這一契機,中國科技工作者正在不斷突破核心技術,為世界提供“中國時間”。
在中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心,科學家們正在為構建新一代全球時間基準與時間“賽跑”。今年初,中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、戴漢寧等組成的研究團隊,成功研製了萬秒穩定度和不確定度均優於5×10-18(相當於數十億年的誤差不超過一秒)鍶原子光晶格鐘。
該成果已部分滿足“秒”重新定義的要求,對未來實現遠距離光鐘比對、建立超高精度的光頻標基準和全球性光鐘網絡奠定了重要的技術基礎,對未來構建新一代全球時間基準乃至提供引力波探測、暗物質搜索的新方法等具有重要價值。
研究人員告訴記者,在前期工作的基礎上,研究團隊實現了鍶原子的激光冷卻,並將其束縛在長壽命的一維光晶格中,利用一束預先鎖定到超穩腔的超穩激光來探尋鍶原子鐘態躍遷,並實現了光鐘閉環運行。
通過兩套獨立的鍶原子光晶格鐘進行了頻率比對測量,得到單套光鐘的穩定度在10000秒積分時間被達到了4×10-18,在47000秒達到了2.1×10-18。在此基礎上,研究團隊還對Sr1光鐘的系統頻移因素開展了逐項評定,最終得到其系統不確定度為4.4×10-18,相當於72億年僅偏差1秒。
“應用方面,原子光鐘最直接、最重要的應用當然是提供時頻基準。我們可以精確測量那些能引起鐘躍遷頻率變化的物理量。”研究人員還介紹,隨着人們“搬動”原子光鐘的能力越來越強,各國都提出了“空間科學+原子光鐘”的計劃。遠離地球引力,光鐘的性能有望更好,結合高精度時間頻率傳遞技術,可以建立更穩定、更精確的空間時頻體系,目前我國在空間進行光鐘研究的部署也已經展開。