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美國宇航局將于明日（6月24日）用獵鷹重型運載火箭將一個令人難以置信的新原子鐘送入軌道，這是一項可能改變?nèi)祟愄剿魈辗绞降募夹g任務。深空原子鐘由美國宇航局噴氣推進實驗室開發(fā)，是對我們在地球上使用的原子鐘以及已經(jīng)在衛(wèi)星上運行原子鐘的太空升級。美國宇航局在一份聲明中表示：理想情況下，這種新型原子鐘將使宇宙飛船能夠更自主地導航到太空中的遙遠物體，比如火星上的物體。 科學家們希望利用深空原子鐘來精確測量宇宙飛船的位置，這將使在深空飛行的宇宙飛船能夠在不與地球進行太多通信的情況下自行行動，這將大大改善目前航天器的導航方式。天文學家已經(jīng)使用時鐘在太空中導航，向宇宙飛船發(fā)送信號，宇宙飛船再把信號傳回地球。往返的時間告訴科學家宇宙飛船到地球的距離。這是因為信號是以光速傳播的，所以考慮到往返航天器的時間，找到距離只是一個簡單的計算。 隨著時間的推移，通過發(fā)送多種信號，科學家可以計算出宇宙飛船的軌跡——包括它的位置和它要去的地方。為了在很小誤差范圍內(nèi)知道航天器的位置，天文學家需要非常精確的時鐘，可以測量十億分之一秒。還需要非常穩(wěn)定的時鐘，這里的“穩(wěn)定性”指的是時鐘測量時間單位的一致性。雖然你會認為時鐘和“秒”測量的時間長度總是一樣，但時鐘有漂移的趨勢，會慢慢地把越來越長的時間標記為“秒”。 為了測量宇宙飛船在遙遠空間的位置，天文學家們需要他們的原子鐘在數(shù)天或數(shù)周內(nèi)保持一致，超過十億分之一秒。從我們手腕上佩戴的時鐘到衛(wèi)星上使用的時鐘，現(xiàn)代時鐘大多使用石英晶體振蕩器來計時。這些裝置利用了石英晶體在電壓作用下振動的精確頻率，振動就像落地鐘上的鐘擺。但是根據(jù)太空導航的標準，石英晶體時鐘根本就不是很穩(wěn)定。六周后誤差可能達到整整一毫秒，相當于光速185英里(300公里)。這么大的誤差將對測量快速移動的航天器位置產(chǎn)生巨大影響。 原子鐘將石英晶體振蕩器與某些類型的原子結合起來，以創(chuàng)造更好的穩(wěn)定性。美國宇航局深空原子鐘將使用汞原子，4天后誤差小于1納秒，10年后誤差小于1微秒，要經(jīng)過1000萬年的時間，時鐘才會出現(xiàn)一秒鐘的誤差。原子鐘利用原子的結構，這一點也許并不令人驚訝，原子是由質子和中子組成的原子核被電子包圍著。每個元素的原子都有不同的結構，原子核中質子的數(shù)量也不同。雖然每種原子所擁有的電子數(shù)量可能不同，但電子占據(jù)不同能級。 而恰好適量的能量震動可以使電子在原子核周圍躍遷到更高能級。使一個電子躍遷所需的能量對每個元素都是唯一，并且與該元素的所有原子一致。噴氣推進實驗室的原子鐘物理學家埃里克伯特(Eric Burt)說：這些軌道之間的能量差是如此精確和穩(wěn)定的一個值，這是制作原子鐘的關鍵因素，這就是原子鐘能夠達到機械鐘之外性能水平的原因。從本質上說，原子鐘可以自我校正，在原子鐘中，石英振蕩器的頻率被轉換成應用于特定元素原子集合的頻率。 如果頻率是正確的，它將導致原子中的許多電子躍遷能級，但如果不是這樣，跳躍的電子就會更少。這告訴時鐘，石英振蕩器是off-frequency和多少糾正它。在深空原子鐘上，這種校正每隔幾秒就計算一次，并應用到石英振蕩器上。但這并不是深空原子鐘的特別之處，這個時鐘不僅使用汞原子，它還使用帶電的汞離子。因為離子是帶電荷的原子，它們可以被包含在電磁“陷阱”中。這使得原子無法與真空室的壁面相互作用，這是普通原子鐘中中性原子的一個常見問題。 當與真空壁相互作用時，諸如溫度之類的環(huán)境變化會引起原子本身的變化，并導致頻率誤差。深空原子鐘不會受到這種環(huán)境變化的影響，因此將比GPS衛(wèi)星上使用的原子鐘穩(wěn)定50倍。在周一發(fā)射后，科學家們將能夠開始測試時鐘的精度，因為它在軌道上運行了幾天，然后是幾個月。深空原子鐘將由位于佛羅里達州肯尼迪航天中心的SpaceX獵鷹重型火箭作為24個有效載荷之一發(fā)射升空，4小時的發(fā)射窗口在美國東部時間晚上11:30(格林尼治時間6月25日0330)打開。
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