The Great Space Race ... With Clocks
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今天是阵亡将士纪念日，短波爱好者们。在这个节日里，我们带给您一个关于时间……和时钟的沉思。目前有数百个原子钟在轨道上运行，它们分布在地球各地的卫星上。我们依靠它们进行GPS定位、互联网计时、股票交易甚至太空导航。在今天的重播节目中，主持人Emily Kwong和Regina G. Barber学习如何制造更好的时钟。为了做到这一点，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？- 更多关于Holly的光学原子锶离子钟的信息，请查看NASA网站上的OASIC项目。- 更多关于经度问题的信息，请查看Dava Sobel的著作《经度》。收听Short Wave的每一集，无需赞助商广告，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？请通过发送电子邮件至[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 这条消息来自ShipBob。经营全球电子商务业务，您有很多事情要做。ShipBob可以从其全球履行网络中挑选、包装和运送您的订单，让您有更多时间来发展您的业务。访问ShipBob.com获取免费报价。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。所以，Gina，你熟悉经度吗？是的。所以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，对吧？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。

一艘离开港口的船会设置两个时钟。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，你

你可以计算。对。但是这些船上的时钟不可靠。就像想象一下在波涛汹涌的大海上摆动的摆钟，对吧？周围是咸咸的空气和温度或气压的变化。钟表零件会变形。所有这些最终都可能导致时钟偏离正确的时间。我们称之为时钟漂移。哦，我喜欢这个词，“时钟漂移”。

是的，“时钟漂移”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，并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，不需要经常重置，因此更精确。对，所以船只失事减少了，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。所以这个时钟改变了世界历史。

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。并且在经度问题时代出现的障碍正在今天重演。为了远离家乡航行，你需要一个非常好的时钟。

这就是为什么今天节目中要介绍太空时钟。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。

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好的。您实际上冒险去了华盛顿特区北部几英里处的美国宇航局戈达德太空飞行中心，我们以前一起去过那里，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，所以我去了那里参观了一个实验室。酷。

所以这是33号楼。我们将进入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实验室就像原子物理学家进行实验并将这些发现传递给美国宇航局工程师的一站式商店。

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。就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，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。而且

精确的对准不仅很重要，而且系统必须非常耐用。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。我们希望能够在太空中实际使用它们，并希望它们能够为我们的科学界带来改变。

技术助理主管Renee Reynolds在NASA工作了25年。在过去的几年里，她一直是建立量子项目和聘用像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。

这些技术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中运行的原子钟。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，导航使用时间。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，您可以在您的卫星上接收这些时间信号。

您手机上的GPS接收器。根据这些时间信号，它可以三角定位您的位置。所以GPS有点像时钟？GPS都是时钟。因此，如果我们在GPS上拥有更好的时钟，我们将能够以更高的精度知道我们的位置。GPS是

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时钟每天会漂移大约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可能转化为地面300米的误差。因此，为了校正时钟漂移，GPS时钟每天会向地球发送几次信号，并询问，“嘿，我的时间对吗？”然后地球会说，“好的，你的时钟是这个时间。”

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，这种持续的“打电话回家”。所以多年来，NASA一直在寻找一种能够自主导航的时钟，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称她的时钟为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……

关于时钟，你需要知道的所有事情，这适用于所有时钟，它们是反馈回路。通常有三个元素在时钟内部相互通信，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。就像摆一样，每秒摆动一次。

在现代时钟中，它们的摆实际上是石英晶体。当通电时，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，你有你的振荡器，你有你的计数器。还有什么能让它成为时钟的第三件事？

你的参考。因此，参考确保振荡器以正确的频率振动，并且不会导致时钟漂移。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。我现在要把它交给Gina，让她解释一下原子是如何从基态跃迁到激发态的。是的，所以大多数原子钟使用铯或铷原子。但总的来说，我认为用氢元素来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。而轨道现在有点简化了，但让我们就说轨道吧。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该原子释放出来。好的，所以在20世纪50年代，科学家们利用了光子。

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，对吧？对。所以传统的原子钟，用于GPS的那些，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。但是这些时钟的精度只有10的负次方。最好的时钟是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，比目前的光提高了三个数量级。

微波时钟。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，只有当激光节奏正确时，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，即使用原子物理学比使用经典物理学的系统更精确的系统。她的时钟以原子为参考。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时钟建成，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她最终希望这些时钟做什么，她希望它们住在哪里。所以我的……

目标是在太空中建立一个时钟网络，特别是光学时钟网络，因为当您开始达到17、18、19以及更高的精度位数时，您可以开始进行非常酷的基础物理学研究。因此，如果在太空中安装多个OASIC时钟，科学家们可以比较它们的频率相对于彼此的变化。

而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，那么这些新的时钟进展到什么程度了？

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，时钟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。我喜欢它。我喜欢学习原子钟。感谢您把它带给我们。Gina，总是会有时间学习物理学。总是会有时间学习物理学。总是。特别感谢Dava 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。它由节目负责人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。

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