什么是原子钟-那么深空原子钟呢-

时间:2020-05-19 14:35 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

什么是原子钟-那么深空原子钟呢-

时间一分一秒地过去:一项可能改变人类探索太空方式的技术演示正在活跃起来。深空原子钟由美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室开发,它是对基于卫星的原子钟的重大升级,例如,它可以使你的手机上有GPS功能。

最终,这项新技术可能会使航天器更自主地导航到火星等遥远的地方。但是什么是原子钟呢?它们在太空导航中是如何使用的?是什么让深空原子钟与众不同?继续读下去,找到所有的答案。

为什么我们要用时钟在太空中导航?

为了确定航天器与地球的距离,导航员向航天器发送信号,航天器再将信号传回地球。由于信号以已知的速度(光速)传播,因此信号进行双向传播所需的时间揭示了宇宙飞船与地球之间的距离。

虽然听起来很复杂,但我们大多数人每天都在使用这个概念。从你家到杂货店可能要走30分钟。如果你知道你可以在20分钟内走大约一英里,那么你就可以计算出到商店的距离。

随着时间的推移,通过发送多种信号并进行多次测量,导航员可以计算出航天器的轨道:它的位置和它的前进方向。

从手表到卫星上使用的大多数现代时钟,都使用石英晶体振荡器来计时。这些设备利用了石英晶体在施加电压时以精确的频率振动这一事实。水晶的振动就像落地钟的钟摆,滴答滴答地报出经过了多少时间。

要想知道航天器在一米内的位置,导航仪需要具有精确时间分辨率的时钟。可以测量十亿分之一秒的时钟。

导航器也需要非常稳定的时钟。“没有,Stability”指时钟测量时间单位的一致性;例如,它对一秒长度的测量需要在数天或数周内保持不变(以超过一秒的十亿分之一)。

原子和时钟有什么关系?

按照太空导航的标准,石英晶体时钟并不是很稳定。仅仅一个小时后,即使是性能最好的石英振荡器也可能差一纳秒(十亿分之一秒)。六周后,它们可能相差整整一毫秒(千分之一秒),或者距离误差达到185英里(300公里)。这将对测量快速移动的宇宙飞船的位置产生巨大的影响。

原子钟结合石英晶体振荡器与原子集成,以实现更大的稳定性。美国宇航局的深空原子钟将在4天后误差小于1纳秒,10年后误差小于1微秒(百万分之一秒)。这相当于每1000万年只差一秒。

什么是原子钟-那么深空原子钟呢-

原子由一个被电子包围的原子核(由质子和中子组成)组成。元素周期表上的每一种元素代表一个原子核中有一定数量质子的原子。在原子核周围聚集的电子的数量可以变化,但它们必须占据不显眼的能级或轨道。

一股能量;以微波的形式;能使电子上升到围绕原子核的更高的轨道。电子必须准确地接收到适量的能量。这意味着微波必须有一个非常特定的频率;为了完成这个跳跃。

使电子改变轨道所需的能量在每个元素中都是独特的,并且在整个宇宙中对于给定元素的所有原子都是一致的。例如,使碳原子中的电子改变能级所需的频率对于宇宙中的每个碳原子都是相同的。深空原子钟使用汞原子;要使这些电子改变能级,需要一个不同的频率,而且这个频率对所有的汞原子都是一致的。

这些轨道之间的能量差是如此精确和稳定的值,这一事实实际上是原子钟的关键因素。喷气推进实验室的原子钟物理学家埃里克·伯特说。这就是为什么原子钟能达到比机械钟更高的性能水平的原因。

能够测量特定原子中这种不可改变的频率,为科学提供了一种通用的、标准化的时间测量方法。(“;Frequency”是指在给定的时间单位内通过空间中某一点的波的数量。所以,通过计算波,就有可能测量时间。事实上,官方对一秒长度的测量是由使电子在铯原子的两个特定能级之间跳跃所需的频率决定的。

什么是原子钟-那么深空原子钟呢-

在原子钟中,石英振荡器的频率被转换成应用于一组原子的频率。如果导出的频率是正确的,它将导致原子中的许多电子改变能级。如果频率不正确,跳跃的电子就会少得多。这将决定石英振荡器是否离频以及离频多少。“;correction”由原子决定,然后可以应用到石英振荡器,以引导它回到正确的频率。这种校正每隔几秒钟就会在深空原子钟的石英振荡器上进行计算和应用。

深空原子钟有什么独特之处?

原子钟是在绕地球运行的GPS卫星上使用的,但即使是原子钟,也必须每天更新两次才能校正。自然的漂移。这些更新来自于地面上更稳定的原子钟,它们很大(通常有冰箱那么大),设计的目的不是为了满足进入太空的物理需求。

美国宇航局的深空原子钟比GPS卫星上的原子钟稳定50倍,有望成为太空飞行中最稳定的原子钟。它通过使用汞离子来达到这种稳定性。

离子是带净电荷的原子,而不是电中性的。在任何原子钟中,原子被包含在真空室中,在某些原子钟中,原子与真空室壁相互作用。环境的变化,如温度,将导致原子的类似变化,并导致频率误差。许多原子钟使用中性原子,但由于汞离子带有电荷,它们可以被包含在一个电磁阱中。为了防止这种相互作用的发生,允许深空原子钟达到一个新的精度水平。

对于前往火星或其他行星等遥远目的地的任务来说,这种精度使得自主导航成为可能,与地球之间的通信几乎为零。目前宇宙飞船的导航方式有了巨大的改进。

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