GPS上的铯原子钟是最精确的时钟吗?

作者:北辰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2014-10-11

GPS卫星上携带的时间装置是铯原子钟,一般精确到十亿分之一秒。但是,它会随着高速运动和地球引力产生一些误差。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的,在地面的铯—133每秒钟跃迁9192631770次,而到卫星上就应该是9192631775次,这就意味着时间变慢了,建造全球卫星定位系统,必须要考虑时间变慢这个问题
古人使用蚊香或者砂漏来计时,它的准确度就没法说了。后来,人们使用钟表来计时,通讯导航还曾经使用脉冲星来计时。现在,美国国家标准技术研究院的新式计时器被称作量子逻辑时钟,它的原理是用激光来检测铝离子的两个超精细能阶间跃迁的谐振频率,可以在37亿年内的误差也不会超过1秒钟,但我们的生活实在不需要这么精确的时钟。

  与我们的生活比较密切的是铯原子钟,它是导航卫星系统GPS的关键部件,目前,按国际标准,铯原子钟能把8000万年的误差控制在1秒内,这仅仅是在地面不动的情况下,对于地面生活的人来说,卫星上使用的铯原子钟谈不上精准。GPS卫星上携带的时间装置是铯原子钟,一般精确到十亿分之一秒。但是,它会随着高速运动和地球引力产生一些误差。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的,在地面的铯-133每秒钟跃迁9192631770次,而到卫星上就应该是9192631775次,这就意味着时间变慢了,建造全球卫星定位系统,必须要考虑时间变慢这个问题。

铯原子钟

铯原子钟

  根据狭义相对论,当物体运动时,时间会变慢,运动速度越快,时间就越慢。GPS卫星以每小时14000千米的速度绕地球飞行,因此,GPS卫星上携带的时钟每天慢大约7微秒。GPS卫星位于距离地面大约2万千米的太空中。根据广义相对论,物质质量的存在会造成时空的弯曲,质量越大,距离越近,就弯曲得越厉害,时间则会越慢。受地球质量的影响,GPS卫星上的时钟就要走得比较快,每天快大约45微秒。在考虑了快的因素和慢的因素之后,GPS卫星时钟每天还要快大约38微秒。虽然在卫星发射之前,这些问题就已经考虑到,并且作了相应的调整。但是,空间的冷热变化,宇宙射线和时间的延续都会带来误差。

  美国加州航空股份公司设有一个光电科技处,负责GPS原子钟的调试。他们采用两台计算机,分别与两台铯原子钟相连,其中一台模拟空间环境,另一台处于正常地面环境中,得到最精确的时间。每隔1.5秒,就会让地面的原子钟与所有卫星原子钟做一次校对,以此让卫星上的时间与地面上的时间保持一致。

扫码加蝌蚪五线谱微信