计时4200万年误差1秒,原子钟搭配卫星定位,为何能精准打击目标


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“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴。”
这是一句为大家所熟悉的俗语,常被用于形容时光的宝贵,以及提醒人们一定要珍惜时间。
与之相似的,还有词语“一刻千金”,它们都是用最通俗的黄金钱财,来对时间的价值进行比喻。
不过,随着时代的发展,人们对于“寸金”、“千金”这样的价值理解,已经相当深入,可对于“一寸光阴”和“一刻”这样的时间认知,却愈来愈模糊,世人普遍认为,时间远不如千金价高。

但事实上,从如今科学的层面来看,尤其是原子钟领域,哪怕是“一秒钟”的时间,它的价值都远超“千金”数倍,乃至数十倍,甚至冠以“无价之宝”,都不足为奇。
那时间概念究竟有多深奥,原子钟又是什么,一切且让我们从“一秒”说起。
一秒:渺小和关键的结合
“一秒时间到底有多长?”
这个问题乍一看,可能会让无数人都感觉可笑,毕竟,一秒就是一秒,在这个,人类数到“1”的时间单位里,我们甚至连一次完整的呼吸都做不了。

要知道,按照现有的科学研究,人类进行一次完整呼吸,所需的时间约是3至5秒之间,这意味着,一秒的时间在日常生活中,实在太小太小,小到无数人都可能忽略它。
但我们要知道的是,一秒的渺小其实只是对于大多数人而言,在某些领域内,“一秒”可是一个非常庞大的时间单位。
比如在田径赛场上,一秒钟的时间影响,足以让一名选手称霸或落败,须知有着“亚洲飞人”之称的苏炳添,他与“世界第一飞人”博尔特之间的差距,其实就是0.25秒,即一秒的四分之一。
可就是这个连眨眼都不够的时间单位,却成了田径赛场上的一道天堑,若是苏炳添能够快一秒钟,那他将会直接打破人类百米奔跑的速度记录,名留青史,但从人类身体技能的角度来看,这几乎是不可能达成的。

除此之外,一秒钟在钟表领域也相当关键,因为,正是这“一秒钟”决定着钟表的档次。
对于大多数人而言,钟表的价值是来源于品牌本身,简单来说,就是品牌的档次越高,那钟表的价值也就越高。
但从钟表的发展来看,钟表的价值其实取决于它的误差大小,即钟表每运转24小时,其所产生的误差越小,那该钟表的价值也就越高。
值得一提的是,市面上如劳力士和百达翡丽这样较为著名的钟表品牌,它们之所以能被称之为“表中王者”,核心原因就在于它们的误差相当小。
按照国际上对机械表的定义,运转24小时的误差能控制在20秒之内,那就能判定为优等品了,但根据劳力士的规定,它所出品的机械表,其日均误差不能超过两秒。

尽管,这极高的误差标准使劳力士在一众表类品牌中脱颖而出,但不得不说,如此的精准,这行业内简直就是“变态”般的存在。
不过,随着科技的发展,一种更加极致且精准的钟表出现了,那就是原子钟。
原子钟:顶尖科技的代表
原子钟,顾名思义,这是一种和原子有关的钟类,但从本质上来说,它其实已经超脱出人们对于“钟”的认知了。
在世人的印象里,“钟”应该是要由指针和表盘所组成,而它工作的原理,则是借助内部齿轮的相互带动,让指针可以随之摆动,进而为人们带来计时的功能。
至于钟内齿轮的动力源,则主要依靠发条或电池来供应,同时,这也是区分机械表和电子表的关键因素之一。

然而,作为科技产物的原子钟,其运作方式却并不局限于这齿轮、指针以及表盘之中,因为,它的计时完全是依靠原子的运动。
根据义务教育所学的物理学,一个原子就仿佛一个星系,是由中心原子核,以及在外围沿特定轨道运行的电子所组成。
不过,原子与星系不同的是,充当环绕星球角色的电子,它的运动并非一成不变,按照现有的研究来看,电子在运动的过程中是会进行变轨的,并发生相应的能量变化。
简单来说,就是电子若是在释放能量,那它就会向外围轨道行进,而若是在吸收能量,那它则会向着上层轨道进发。
但需要注意的是,无论是释放能量,还是吸收能量,电子只要发生变轨,就会产生频率稳定的电磁波。

而科学家们只要能够保证能量的供给稳定,且又能追溯到该电磁波的震动频率,就能根据该频率完成计时,这听起来可能有些玄幻,但它的原理其实和节拍器相似,只要捕捉到一次震动,就进行一次计时。
比如目前常用的铷原子钟,它的基本原理就是将铷原子圈禁到一个密闭空间中,然后用用波长780纳米的光照射它,如此一来,铷原子最外层的电子就会精准获得能量,并进行相应的轨道变化,从而释放出有规律的电磁波,以供计时用。
待所有电子的能量都吸收充足,且不再接收纳米光时,科学家们又在用6.8吉赫兹的微波去照射这些原子,在微波的作用下,这些电子又会回到外层轨道,在此期间,电子也同样会引发电磁波震动,让科学家们能够进行计时。
而在这纳米光和微波的反复照射下,铷原子钟就完成了周期性的计时,履行了作为“钟”的“义务”。

听到这里,可能有人会提出疑问:那计时如此复杂的原子钟,它的优点到底是什么呢,难道就为了展现原子的神奇吗?
显然,这个问题的答案是否定的,科学家们费尽心血研制出原子钟,并非单纯为了展示所谓的“科技肌肉”,而是为了更高的计时精准度,以及更小的计时误差。
按照现在所公布的数据,原子钟每记录4200万年,其误差也仅有一秒钟而已,换句话来说,假如古猿人能拥有一台原子钟,那他们的部落时间甚至会比上个世纪的华盛顿时间还要精准。
可计时如此精准的原子钟,在现代社会中,又扮演着怎样的角色呢,难道是凭借着“一秒钟”的精准,在田径赛事中进行充当计时器吗?
原子钟:重新定义“精准”
事实上,原子钟所运用的领域要更高端一些,比如航天和军事。
首先,我们需要清楚的是,航天与军事进行配合的典范,就当属海湾战争时的GPS定点打击。
当年,美军率先在军中使用GPS定位,这不仅让美国军队比伊拉克军还熟悉当地地形,同时,在GPS的加持下,美国的战斧导弹可谓是一打一个准,其精准度甚至达到了3米,让无数军事强国咋舌。

而GPS之所以能进行精准定位,并为军事行动提供服务,其核心原因就在于卫星上搭载的原子钟。
这主要是因为,美军在发送和接收定位讯息时,往往会与远在太空的卫星形成时间差,毕竟,地面与卫星存在距离,讯息的发送和接收也需要时间,这使得美军接收到的定位信号,很可能是上一个时间点的,这样的滞后性对军事行动而言,可谓是致命性的。
为了能够消除这种误差,就需要原子钟来对时间进行测算,要知道,就是卫星定位的基本原理,是同时间内被三个卫星同时锁定,并获取到三个不同方向的坐标点,人们通过这三个坐标点的规律,就能推断出自己的精准定位。

但要做到这一切的前提,则是定位人需要知晓自己与卫星之间的距离,而通过原子钟,定位人就能迅速知晓信息收发的时间差,之后再用该时间乘上光速,就能得出定位人与卫星间的距离,从而就能够判断出自己所处的坐标。
当然,也正是源于这一原理,使得原子钟本身也肩负着一个重任,那就是测算太空飞行器与地球间的距离,只要该距离能够完成评估,那人类就能远程为太空飞行器进行导航,使飞行器能够更好地在太空进行航行。
值得警惕的是,根据美媒的报道,美国目前正基于原子钟对深空GPS系统进行开发,若是该研究一旦成功,那在未来的太空战中,美军将会凭借这一秒钟的精准,重新炮制当年的海湾战争,对世界诸国展开碾压式的打击,届时,新的太空霸权或许就会上演。

参考资料:
《GPS制导武器精度有限 弹载原子钟实现精确测量》--------中国国防报
《你知道世界上最精准的原子钟是如何工作的吗?》-------中国科普博览
《重新定义秒,锶光钟又进一步》---------中国科学院
《揭秘“时间魔盒”原子钟:三千万年误差小于一秒》-------中国青年网



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