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中国计量院举办“光钟和频率基准的相对论不确定度极限”专题报告会

中国质量新闻网  2016-04-08 10:35:15

    从中国计量科学研究院官网获悉,日前,中国计量院首席研究员李天初院士做了题为“光钟和频率基准的相对论不确定度极限”的报告,国家质检总局计量司相关人员,中国计量院院领导班子成员和科技委全体委员参加了此次报告会,报告会由中国计量院副院长、科委会主任段宇宁研究员主持。

    李天初院士从秒定义的修改谈起。近年来光钟发展迅速,国际时间频率界一直在酝酿用某种或几种光钟的频率取代基于铯的现行秒定义。

    接下来李天初院士总结了光钟研究的三个主要定位:一是光钟的应用,例如用于物理定律、物理常数等基础研究,或是在空间,测地等领域的应用研究;二是原子钟物理研究,以日本东京大学的H.Katori教授和美国JILA的叶军教授为代表;三是面向下一代秒定义的基准钟研究,中国计量院(NIM),德国技术物理研究所(PTB),英国国家物理实验所(NPL)等的光钟研究以此为主要定位。

    李天初院士在下边的讨论集中在第三种定位,即面向下一代秒定义的基准钟的研究。

    2015年9月,第20届国际时间频率咨询委员会(CCTF)将讨论修改秒定义的时间推迟到2028年,比上次CCTF预定的2019年推迟了9年。

    在本届CCTF会上,CCTF主席,法国计量院院长L.Erard提出了一个修改秒定义的路线图讨论稿,对未来13年修改秒定义的进程规划了近30项工作。李天初院士认为在这近30项中,真正的“重要挑战”有两条:一是从2012年到2028年,光钟常规地向国际计量局报送数据;二是2013年到2023年,在多个国家计量院的位置以cm的准确度确定水准面。

    首先讨论路线图的第一项“挑战”。目前光钟离路线图提出的“常规报数”还有相当大的距离。迄今,世界上还没有一台光钟向BIPM报数。

    针对第二项“挑战”,也就是广义相对论重力频移,李天初院士提出了频率基准的不确定度是否存在极限的问题。他认为,作为复现秒定义(definitionofthesecond)的基准钟,频率偏移评定一定包含重力红移。而目前光钟作为秒的次级表示(secondexpressionofsecond),(请注意,不是”第二秒定义”,而是”次级表示”),其评定没有包含重力红移。重力红移的评定基于相对论,涉及测地学等相关学科。特别是对于潮汐频移,我们院内对相关基本物理概念都还有不同看法,而且很难实施实验加以支持。通过最基本的理论推算,李天初院士认为,重力频移加上潮汐频移对频率基准不确定度的限制在(2.6~4.0)×10-17量级,优于铯原子喷泉钟现有不确定度约10倍。因为重力频移是一项普适物理效应,上述(2.6~4.0)×10-17不确定度极限适用于复现现行和未来秒定义的所有基准钟。

    随后,李天初院士回顾了国际计量领域的两段历史:一个是1999年飞秒光梳技术的发明使得曾经如火如荼的谐波光学频率链成了历史;另一个是长度单位米的定义,1960年激光的发明并没有立即替代基于氪灯的1960年米定义,而是经历23年研究,最终将真空光速定义为普适常数,将米定义为光速和时间的乘积,从而引出一种全新的基本单位定义新理念。李天初院士表示,借鉴历史,可能帮助我们更清晰的思考未来秒定义的发展。

    回到时间频率领域,李天初院士强调今天只是提出问题,不是作出结论。从现在到2028年,是中国的机会。现在开始深入讨论,而不是将来盲从国外,中国的时间频率的研究才能迈上新的台阶。

    中国计量院院长方向在总结发言中表示,李天初院士针对光钟研究提出了自己的见解,给大家上了一堂精彩的学术报告课,希望能够对大家有所启发。方向表示,今后中国计量院将设立更多的探索性研究课题,使广大科研工作者特别是年轻人能够更加积极的去探寻科学前沿,去探索未知领域。

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