The Great Space (Clock) Race
14:31 Share

目前有数百个原子钟在轨道上运行，它们位于地球各地的卫星上。我们依靠它们进行GPS定位、互联网计时、股票交易……以及太空导航？今天的节目中，主持人Emily Kwong和Regina G. Barber学习如何制造更好的时钟。为此，他们问道：原子钟究竟是如何工作的？是什么让时钟如此精确？以及如何改进这一过程以获得更高的精度？有关Holly的光学原子锶离子钟的更多信息，请查看NASA网站上的OASIC项目。有关经度问题的更多信息，请查看Dava Sobel的著作《经度》。收听Short Wave的每一集，无需赞助商，并通过在plus.npr.org/shortwave注册Short Wave+来支持我们在NPR的工作。有问题或故事想法？请通过电子邮件[email protected]告知我们！了解更多关于赞助商信息选择：podcastchoices.com/adchoicesNPR隐私政策</context> <raw_text>0 此消息来自NPR赞助商State Farm。如果您是小企业主，这就是您的生活。State Farm代理商也是小企业主，因此他们可以帮助您选择个性化保单。就像一位好邻居一样，State Farm就在那里。今天就联系您当地的代理商。您正在收听来自NPR的Shortwave。

大家好，我是Regina Barber，与Emily Kwong一起讲述一个关于时间的故事。是的，一个关于时间如何告诉我们我们在世界上的位置的故事。Gina，你熟悉经度吗？是的，经度就像地球上东西方向的位置。它是相对于英国格林尼治的本初子午线的，对吗？是的，那里的经度是零度，向西延伸180度，向东延伸180度。在17世纪，计算经度非常困难。对。

离开港口的船只将设置两个钟表，一个用于本初子午线，另一个用于当地时间。因此，船员们会在航行时更新他们的当地时间，通过使用太阳的位置来计算它。

通过知道这两个时间之间的差异，您可以计算出中间的经度度数，并知道您的位置。是的，您可以计算。对。但是这些船上的钟表不可靠。想象一下在波涛汹涌的海面上摆动的摆钟，对吗？周围是咸咸的空气，温度或气压也在变化。钟表零件会变形。所有这些最终都可能导致钟表偏离正确的时间。我们称之为钟表漂移。哦，我喜欢这个词，“钟表漂移”。

是的，“钟表漂移”很危险。在16和17世纪，由于船只偏离航向而导致的错误累积，导致了船只失事和人员伤亡。商人、海员开始呼吁科学解决方案。因此，英国政府创建了经度委员会。他们宣布了一场竞赛来解决这个问题，即经度问题。好的。这场竞赛中诞生了航海天文钟。

一个几乎没有摩擦的摆钟，不需要经常重置，因此更精确。对，船只失事减少了，因为现在船只知道时间了，知道时间就能知道它们在哪里。是的。好的。这使得英国帝国的航海成为可能。所以这个钟表改变了世界历史。

我认为历史正在重演，因为许多政府和公司都将目光投向了太空探索。对。我的意思是，我们计划去火星，甚至更远的太空。是的。经度问题时代遇到的障碍正在今天重演。要远离家乡航行，你需要一个非常好的钟表。

这就是为什么今天的节目是关于太空钟表的。科学家们如何努力制造精度更高的原子钟。以及这对于解决宇宙中一些最大的谜团可能意味着什么。您正在收听Shortwave，来自NPR的科学播客。

对NPR和以下消息的支持来自State Farm。作为State Farm代理和机构所有者，Lakeisha Gaines了解小企业所需的支持。知道没有哪个企业是相同的，知道我们都受到诸如灾难等超出我们控制的事情的影响，倾听和理解对企业主来说重要的事情，了解多少才是真正负担得起的，以及在那一刻什么才是有意义的。

因为一个三年的精神科医生将与一个20年的医生大相径庭。一个两年的招牌店主将与一个仅仅试图弄清楚下个月菜单上会有什么菜的为期一个月的餐馆老板大相径庭。我认为这些事情非常重要，它们源于我作为小企业主的经验。是我在想如何帮助我与之生活的人们，如何帮助我与之工作的人们，如何帮助我与之一起做志愿者的人们。

与您当地的代理商谈谈State Farm的小企业保险。就像一位好邻居一样，State Farm就在那里。好吧。你实际上冒险去了华盛顿特区北部几英里处的NASA戈达德太空飞行中心，我们一起去过那里，那里非常酷。是的，戈达德是一个校园。他们有一个足球联赛，一个表演节目的戏剧俱乐部。但我当时在执行Shortwave任务，所以我去了那里看一个实验室。酷。

所以这是33号楼。我们将走进Quest实验室。与Holly Leopardi一起，她是一位戴着绿色眼镜、笑容满面的原子物理学家。两年前，她告诉我她加入了Quest实验室。Quest实验室就像一个一站式商店，原子物理学家可以在那里进行实验，并将这些发现传递给NASA工程师。

量子工程和传感技术。Quest。你当时是不是想，是的，我们创造了一个首字母缩略词。是的。我的意思是，这是一个很好的首字母缩略词。像物理学家和天文学家一样，我们痴迷于首字母缩略词。是的，我注意到了。好的，所以Quest的主要实验室是一个大房间，有三张巨大的桌子。这些桌子是用金属制成的，它们上面每英寸都钻有孔，就像桌子的表面一样。这是为了固定不同的光学元件。

这就像经典的第一个错误，你知道的，当你走进一个本科物理实验室时，他们会做一个很好的对准光学系统，他们不会把镜子和东西固定在桌子上，然后它们就会移动。好的，我喜欢光学平台，当我还是物理系本科生的时候，我总是那个拧紧分束器和镜子的学生。当然是你了。和

精确的对准不仅很重要，而且系统必须非常耐用。在这里发明的任何东西都必须能够承受被抛射到太空中的情况。我们不是在开发让它们放在某个架子上的技术。我们希望实际上将它们送入太空，并希望它们能为我们的科学做出贡献，

测量。技术助理主管Renee Reynolds在NASA工作了25年。在过去的几年里，她一直是建立量子程序和雇用像Holly这样的科学家的负责人。我们确实认为量子技术是能够超越我们一些经典技术的一种途径。

这可能正在达到它们的极限。NASA想要改进的一项技术是原子钟。

他们想为太空制造新的原子钟。对。那么，告诉我一下现在正在太空轨道运行的原子钟。有数百个。许多原子钟都安装在导航卫星上。实际上，我不知道导航会用到时间。就像在17世纪一样。但在美国，我们的卫星导航系统是GPS。每颗卫星都会发出一个时间信号，你可以在你的卫星上接收这些时间信号。

你手机上的GPS接收器。根据这些时间信号，它可以确定你的位置。所以GPS有点像一个钟表？GPS都是钟表。因此，如果我们在GPS上拥有更好的钟表，我们将能够以更高的精度知道我们的位置。GPS、互联网计时协议、股票交易，所有这些都依赖于更精确的系统。但是

目前的原子钟系统容易出错。据估计，GPS钟表每天会漂移大约10纳秒，我知道这听起来不多。但在太空中，即使是微秒级的误差也会转化为地面300米的误差。因此，为了校正钟表漂移，GPS钟表每天会向地球发送几次信号，并询问，“嘿，我的时间准吗？”对。

然后地球会说，“好的，你的钟表已经积累了这么多的误差。它偏离了这么多秒或时间。”然后他们会发送另一个信号回来。但是这个过程有点麻烦，你知道的，这种不断地“打电话回家”。因此，多年来，NASA一直在寻找一种能够自主导航的钟表，能够作为其自身的单元运行，只需最少的更新，并且更加精确。

所有这些都让我想起了几个世纪前经度委员会试图做的事情。Holly，她称她的钟表为OASIC。

光学原子锶离子钟。OASIC。这是一个科学绿洲乐队的翻唱。我将解释为什么OASIC如此有前景，这句话中所有不同单词的含义。但我需要借助我祖父Bob的精神，他是一位钟表修理工，首先解释一下原子钟是如何工作的。作为一名物理学家，我仍然对此感到困惑，所以让我们来做吧。它就像科学界的土豆先生。你必须把这么多技术组合在一起才能让它运转。所以……

关于钟表，你需要知道的是，所有钟表都是反馈回路。通常有三个元素在钟表内部相互通信，以使其稳定地运行。第一部分是振荡器。它是一种来回摆动的东西。就像摆钟一样，每秒摆动一次。

在现代钟表中，它们的摆实际上是石英晶体。当用电冲击时，石英会以精确的频率振动并发出电脉冲，然后可以由计数器测量。它计算这些摆动。

这些周期并显示它们。好的，你有了振荡器，你有了计数器。还有什么能让它成为钟表的第三件事？你的参考。因此，参考确保振荡器以正确的频率振动，并且不会导致钟表漂移。这就是原子发挥作用的地方。原子钟之所以被称为原子钟，是因为它使用原子的某个部分作为其参考。

原子具有这种非常特殊的特性。我现在把它交给Gina来解释原子如何从基态跃迁到激发态。是的，大多数原子钟使用铯或铷原子。但总的来说，我认为用氢元素解释这个过程最容易，因为它只有一个质子在中心，一个电子围绕它运行。现在，“轨道”有点简化了。但让我们假设是轨道。电子是

它们有这些不同的轨道。它们中的每一个都与不同的能量相关联。如果一个原子吸收能量，例如通过一小块光或光子，电子将改变其轨道。它将进入更高的能态。它将进入更高的轨道。然后，当电子最终下降时，能量将以另一个光子的形式从原子中释放出来。好的，所以在20世纪50年代，科学家们利用了电子的特性。

原子的这种特殊能力，并以规则的间隔强制原子发生这种能量跃迁，并设计了一个时钟，它会在每次电子下降时释放能量时进行计数。这就是原子钟的频率。好的。他们是用光做的，对吗？对。因此，传统的原子钟，用于GPS的那些原子钟，使用微波，这是一种光。

时钟的工作原理是它用微波轰击原子，这迫使原子从基态跃迁到激发态。这种跃迁以稳定的脉冲发生，整个时钟以此为参考。但是这些钟表的精度只有10的负次方。最好的精度为10的负16次方。对于作为原子物理学家的Holly来说，这还不够好。我知道，但微波对她来说不够精确。她和其他的原子物理学家一起使用光学光。

光学光具有较短的波长，因此它是控制原子的更好的光源。我们可以用激光照射原子，而不是用微波照射原子。我们可以达到10的负17次方、10的负18次方，甚至10的负19次方。所以这些，你知道的，比目前的微波钟提高了三个数量级。

这种精度意味着时钟应该能够更好地保持时间，而无需像以前那样频繁地向地球请求时间校准。它更精确，因为它使用的是光学光而不是微波。是的，因为时钟是由锶原子驱动的。哦，我对锶一无所知。

锶，它是一种奇怪的元素，它在元素周期表中。没有人谈论它。但Holly选择锶是因为它擅长承受温度波动。适合太空。而且因为锶需要非常精确的频率才能被激发。哦，好的。所以她让我把激光想象成鼓点。砰。

砰，砰。但原子就像一个指挥家。如果你曾经看过管弦乐队，你会知道指挥家只会容忍正确的鼓点。锶是一个非常严格的指挥家。好的，所以在这种情况下，只有当激光节奏准确时，原子才会被激发。它具有特定的频率。是的，激光精确使得锶原子精确，从而使时钟精确。

负责实验室的Peter Brereton说，这就是量子技术的威力，即利用原子物理学比使用经典物理学的系统更精确的系统。她的钟表以原子为参考。而这里的原子与火星上的原子相同。因此，这种长期稳定性，这种参考……

本质上是不会改变的。那么，一旦OASIC钟表建成，它会是什么样子呢？就像漫威电影中的宇宙魔方一样。真的吗？它会是一个打击……不。它将是一个立方体，尽管如此。它将是一个立方体。所有这些光学系统都固定到位，核心只有一个锶原子。我问Holly她最终希望这些钟表做什么，她希望它们住在哪里。所以我的……

目标是在太空中建立一个钟表网络，特别是光学钟表网络，因为当你开始达到17、18、19甚至更高的精度位数时，你就可以开始进行非常酷的基础物理研究了。因此，如果在太空中安装多个OASIC钟表，科学家们可以比较它们的频率相对于彼此的变化。

这些数据将使他们能够解决一些重大问题，例如地球引力场的变化，这可以告诉我们海冰是如何融化的，或者地下水是如何流动的。你可以开始研究引力和量子力学是如何相互作用的？我们能否理解暗物质的相互作用，诸如此类的事情？哇。好的，所以引力和量子力学的相互作用是物理学的圣杯。好的，那么这些新的钟表进展到什么程度了？

Holly说，团队希望在2025年秋季之前完成原型系统，她希望OASIC在六年内能够飞行。好的，完全可以。

她决心为计时和物理学领域做到这一点。该领域需要这个，这需要大量的学者、大量的公司，甚至大量的国家来实现这一点。它不仅仅是我和我实验室的事情。因为对她来说，钟表的真正力量在于它作为传感器来告诉我们我们在哪里以及宇宙周围是如何变化的。

这是一个很棒的故事。我很喜欢。我喜欢学习原子钟。感谢你把它带给我们。Gina，总是时间来学习物理学。总是时间来学习物理学。总是。特别感谢Deva Sobel，她写了令人难以置信的书《经度》，讲述了经度问题和航海天文钟的创造。这是一本很棒的书。看看吧。

本集由Hannah Chin制作。它由节目主持人Rebecca Ramirez编辑，Tyler Jones核实了事实。Jimmy Keeley是音频工程师。Beth Donovan是我们的高级总监，Colin Campbell是我们的播客战略高级副总裁。我是Regina Barber。我是Emily Kwong。一如既往地感谢您收听来自NPR的科学播客Shortwave。

对NPR和以下消息的支持来自State Farm。作为State Farm代理和机构所有者，Lakeisha Gaines热衷于赋能其他小企业。在过去的几年里，企业主多得数不清。企业开张的频率非常高，我认为这表明了社区对拥有独立性和拥有对他们来说重要的财务自由的需求、梦想和愿望。

我之所以如此重视走出去分享信息并教育社区，是因为我知道梦想并不总能帮助你成功。你需要能力。你需要智慧。你需要知识。

这就是我们作为State Farm代理商的用武之地，我们能够将这个世界上100多年的经验传授给你们，说，“嘿，我们支持你。你能做到，我们也能做到。让我们一起做吧。”与您当地的代理商谈谈State Farm的小企业保险。就像一位好邻居一样，State Farm就在那里。