应用空间原子钟的基础物理测试.pdf

2 0 1 0 年1 0 月宇航计测技术 O c t 2 0 1 0 第3 0 卷第5 期 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tV 0 1 3 0 ，N o 5 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 0 6 - 0 4 中图分类号：T M 9 3 5 1 1 5文献标识码：A 应用空间原子钟的基础物理测试 翟造成1 李玉莹1 2刘铁新1 ( 1 中科院上海天文台，上海2 0 0 0 3 0 ；2 中科院研究生院，北京1 0 0 0 3 9 ) 摘要随着新型原子钟的发明，其频率稳定度性能已经发展到很高的水平，它们在空间科学试验中将发 挥重要作用。这篇文章将介绍应用空间原子钟在微重力环境下所建议的某些基础物理方面的测试。 关键词空间原子钟微重力基础物理测试 F u n d a m e n t a lP h y s i c sT e s tw i t hS p a c e - b o a r dA t o m i cC l o c k s Z H A IZ a o c h e n 9 1 L IY u y i n 9 1 一L I UT i e x i n l ( 1 S h a n g h a iA s t r o n o m i c a l0 b 8 e n r a t o r y ，C A S ，S h a n g h a i2 0 0 0 3 0 ；2 G r a d u a t eS c h o o lo fC A S ，B e i j i n g1 0 0 0 3 9 ) A b s t r a c tW i t ht h ec r e a t i o no fn o v a la t o m i cc l o c k ，t h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yp e r f o r m a n c eh a sb e e nd e v e l o p e dt ov e r yh i g hl e v e l T h e yw i l lp l a yai m p o r t a n tr o l e si ns p a c es c i e n t i f i ct e s t i n g T h i sp a p e rw i l li n t r o d u c es o m ee x p e r i m e n t si nt h ea r e ao ff u n d a m e n t a lp h y s i c sw h i c ha r eb e i n gp r o p o s e da n dt ob ep e r - f o r m e di nt h em i c r o g r a v i t ye n v i r o n m e n t K e yw o r d sS p a c e - b o a r dc l o c k sM i c r o g r a v i t y F u n d a m e n t a lp h y s i c sT e s t 1 引言 最近一些年来，有人提出“宇宙常数问题”，对 基本物理常数产生置疑。例如，D u m o u r 和P l o y a k o v 预言基本常数有时间变化，特别是精细结构常 数。这就意味着在超越统一场约定，还存在一种 新物理学的相互作用。这种新相互作用的存在，将 是E E P ( E i n s t e i n ，sE q u i v a l e n c eP r i n c i p l e ) 违背性的 的证据。所有这些已经增加了我们对基础物理测试 和进行实验验证广义相对论和它的奠基石等效 性原理的兴趣。这要求理论学家和实验学家的通力 合作。实验学家所面临的艰巨任务是建议和建立一 个测试，它能信服的证明可测效应的有效性，而理论 学家的任务则需要正确地描述和解释实验所得到的 观测量。 在进行基础物理测试的各种途径中，应用原子 钟的测试方法是特别重要的，这不仅因为原子钟是 当今科学可利用的最灵敏的测量仪器；更重要的是， 它的内部工作依赖于原子的核磁矩和电子磁矩的相 互作用一一种可免疫各种干扰的最纯的相互作用形 式。原子中电子结构能量的电磁性质，使原子钟能 提供重力对电磁场耦合的直接测量，也是提供基本 物理常数变化的一个最灵敏的测试方法。 由于基础物理测试所观测的效应非常小，以相 当信服的准确度水平直接进行定量的实验室测量是 很困难的。而空间提供一个非常理想的实验环境， 并且得到高准确度测试的关键，仅可能用发展和应 用最高水平的技术来实现。随着空间时代的到来， 空间技术和高精度的原子钟以及先进的微波和激光 技术一起将为我们打开整个太阳系作为基础物理测 试的一个实验室，而太阳本身也可作为基础物理测 试的一个实验源。进行空间基础物理测试，我们将 面临巨大的困难，然而认识自然的巨大吸引力，必将 引导我们挑战这些困难。 万方数据 第5 期应用空间原子钟的基础物理测试 2 原子钟研究现状 在传统原子钟家族中，主动型氢原子钟迄今仍 然保持着稳定度的最高记录。 在最近十年中，随着半导体激光技术、电磁囚禁 技术、激光冷却和陷俘原子等新技术的发展，以及新 物理原理的应用，新型原子钟技术发展十分迅速。 这些新物理原理和新技术的成功应用，催生了各种 以超冷原子为工作物质的冷原子喷泉钟，离子储存、 中性原子囚禁等类型的冷原子钟和光钟，使原子钟 的稳定度和准确度产生了巨大的提高，甚至达到 1 0 。1 7 ，1 0 。1 8 。这样的原子钟非常适合基础物理测 试。表1 为适合用于这种测试的原子钟性能摘要。 表1高精密原子钟性能摘要 准确度 稳定度 1 1 0 1 3 1 0 1 6 1 2 1 0 1 4 1 1 0 一”l O 一1 6 1 0 1 5 1 0 1 6 1 0 “ 1 0 “1 0 一8 注：正在研制中，目前尚无实用标准。 3 应用空间钟的某些基础物理测试 3 1 精细结构常数a 的变化性测试 3 1 1 基本考虑 每种原子由于核电荷z 数不同，它们的超精细 能量的O 依赖也不同，这是由于超精细能量分裂中 的相对论项的存在有关。因此，精细结构常数a 的 时间变化，可以用比较基于超精细跃迁的不同元素 原子的两个原子钟的频率，通过测量它们的相对频 率漂移以得到占，我们就能得到精细结构常数a 时 间变化测试的灵敏度。空间站载最高精度的钟，能 够提供与地面众多高精度钟进行比对的新途径。 很显然，提高测试灵敏度要用最高性能的原子 钟，并且长时间间隔进行钟比对。但是，测量时间越 长，从数据中排除环境因素引起的干扰就越困难。 因此也有人提出了一个等效途径，在强引力势中寻 求a 的空问变化并且利用太阳作为强引力势源。 3 1 2 在国际空间站上的钟测试旧。 两个高精度原子钟之间长时间比对，它们之间频 率差的任何变化，可能归因于精细结构常数乜的变 化，也可能是钟长期性能不完美。因此，为了进行可 信服的测试，必须规定使用大量的钟，并且对测量数 据进行交叉相关。在空间站上放置高精度原子钟，能 够为世界范围的大量实验室钟比对提供这样的途径。 欧洲空间中心的A C E S 计划旧J ，其有效载荷一个为冷 铯原子钟，一个为主动型氢原子钟，两者锁在一起构 成性能指标为1 0 一6 的组合原子基准，放于空间站上， 利用微波通信链与地面大量不同元素的原子钟以及 与原子和离子光钟进行比对测量。见图l 1 3 J 。 图1A C E S 空间原子钟计划图 T j o e k l k e r 和M a l e k i ”4 1 从超精细能量作为Z 的 函数计算了a 的可能漂移效应，计算结果表明，在高 z 值情况下超精细能量的相对论修正较为显著。如 果能够得到不同z 数的两种原子超精细能量之比， 就能得到d 不变性测试的灵敏度。例如铯( Z 一5 5 ) 钟和汞离子( Z 一8 0 ) 钟之间产生1 4X1 0 叫4 y 的频 率漂移。对于铯和铷( Z 一3 5 ) 原子钟这个值为0 4 5 1 0 + 1 4 y 。 有人进行过地面试验测试，用汞离子钟和氢原 子钟比对了6 个月，给出的b _ a 的上限为3 7 l o 一4 么。至今最好的实验室测试，是c s 和R b 喷泉 之间的对比，给出的上限为吐 6 9 1 0 5 y ，而 在A C E S 计划中，空间站上c s 钟组合和地面喷泉钟 所预期的性能为l o 一6 ，则任何的频率漂移都可以以 压1 0 1 6 y 的分辨力被测定，将有2 0 倍的改善。 超精细能量的相对论修正对z 值的依赖性就 意味着n 的漂移将是明确存在的( 如果确实发现的 万方数据 8 宇航计测技术2 0 1 0 年 话) 。这一发现对于了解基本物理常数是否随时间 变化将是一种突破，具有深远的意义。 3 1 3 在四个太阳半径上的钟测试”1 靠近太阳的钟测试，特别适合测试n 的变化，它 以比地球上或接近地球上可实现的灵敏度高得多的 灵敏度进行这种测试。它提出了测量精细结构常数 的时间变化的一个等效途径，在强引力势中寻求“ 的空间变化。如果存在任何新的长范围力，将引起 钟的一个附加频率偏移，它的值与每个钟的原子的 核电荷z 值有关。太阳集中了太阳系9 8 的质量， 接近太阳的钟频率的比对将为这个测量提供最高可 实现的灵敏度。在太阳的4 个半径上，太阳的引力 势a U c 2 为5 1 0 ，因此钟准确到1 0 。1 6 将能在 1 0 6 广义相对论预期水平卜测量相对频率偏差。 美国J P L 建议的S p a c e T i m e 飞行J ，就是试图 应用独特的“三钟”系统，作为飞船有效载荷去接近 太阳以增加灵敏度来提供a 变化的测试。 “三钟”系统为汞离子钟，钙离子钟和镱离子 钟。三个离子钟的三个囚禁阱共享一个真空系统， 以及磁和热环境。不同原子的离子被囚禁在各自的 阱中，形成三个不同钟的基础。离子的产生、光抽 运、钟跃迁和微波探测等应用的周期，对三个阱的离 子是共同的。这样大多数环境干扰对三个阱的所有 原子是共同的，因而引起的漂移可以相抵消。图2 为“三钟”系统的布置图。“三钟”公用同一本振，其 噪声贡献对三个钟是共同的，因而可相抵消。“三 钟”系统的稳定度可达1 0 6 。 通过光导来自放电灯u v 的光 L ，。、 J L 一 。攀特叫。 口 斟 厂 梁徽 _ I l 恻 瓣 口 。 1 n 、，j i ：州荆：2 图2 “三钟”系统图 S p a c e T i m e 钟测试试验不需要空载钟对地面钟 的比对要求，可以省却像上面所谈到的国际空间站 上钟测试所要求的复杂的高速通信链和相关传播修 正模型。 S p a c e T i m e 飞行首先使飞船飞向木星，在8 6 8 个 木星半径处引进一个重力辅助以减小飞行器的能力， 然后使其落向4 个太阳的半径范围。这样的轨道将 大为简化导航。图3 为飞船接近太阳的轨道画面。 图3 飞船轨道画面示意图 这种测试的灵敏度可由下式估计。d 随引力 势的变化而变化可写为 6 a6 U = S a C 这里s 是试验的灵敏度，如以上建议的为1 0 一。 水平，U 是牛顿势。将上式微分得 a U i 237 u 的时间变化与哈勃常数日的关系号一日。因 C 此O t 的任何时问变化的检测等效灵敏度是 盟= 2 日一1 0 。2 0 y ( 对小于1 0 一o ) O t 这个灵敏度超过迄今为止任何测试结果。 3 2 光的各向同性的空间钟测试“ J 3 2 1 基本考虑 光的各向同性测试通常是关于下面两个方面的 万方数据 第5 期 应用空间原子钟的基础物理测试 9 实验： 单向光速实验。对于测量单向信号传输的某些 类型的实验，经常使用一种基于参数6 c 6 的简单测试 理论。c 是光来回一圈的光速，6 c 是光沿特定方向单向 传输，在惯性参考系s 中由同步的钟测量的光速偏差。 这些实验是寻求8 c c 作为光信号在S 系中传输方向 的函数的变化情况。在狭义相对论中，8 c c = 0 。 另一个方面是利用分析光速以C = C ( 0 ，口) 的 形式对实验的速度秒和指向0 的依赖性来揭示光速 的不变性。即狭义相对论测试的角度依赖效应和绝 对速度依赖效应。 3 2 2 光速各向同性的空间钟测试j 纠 以前，为探索6 c c 的非零值，已经进行过一螳 实验，如基于莫斯保尔效应和G P - A 链路实验J 。 在这些试验中，与特定空间方向相联系，寻找当信号 传输方向改变时，这个效应是否也改变。这些实验 检测的灵敏度约为1 0 一。 而空间钟实验有望比以前6 c c 的实验，在灵敏 度上提高一个数量级。正如上面所谈到的A C E S 计 划，空间钟在国际空间站l I 过时进行空间钟和地面 钟的连续比对，钟之间的信号传递可逆向转换。发 射时间和接受时间分别在窄问和地面各自时间尺度 上进行测量。上、下传递时间之差为丁 一T 。= A ： + 。+ 2 6 c cT e o s 0 ，这里7 是光线往返传递时间的 一半，0 是链路与希望方向的夹角，。是已知的由 于路径不对称，大气延迟等所致的小的修正，是 很小且不变的量。对飞过时所测数据按c o s 0 调节 来测量6 c c 。I S S 飞过的时间约1 5m s 到8m s 之 间，在这期间，钟的不稳定性能估计为lp s ，对6 c c 所期望的检测灵敏度可达到1 0 。1 0 ，比以前开展的类 似检测至少提高一个量级。这是因为对以前进行的 实验所存在的大气延迟，轨道准确度，钟稳定度等误 差源，在现在A C E S 检测情况下可以忽略，并且是双 向系统，上下链之间可以互相抵消，而且应用的钟为 冷原子钟，稳定度要高的多。 至于光随速度秽和空间变化的依赖性测试，则应 用不同的振荡器和冷原子钟组合作为I S S 的有效载 荷。M a u s o u r i 等人认为，光传播速度的各向异性可能 存在，并且与选定的坐标有关。在一个相对于这个选 定坐标以速度钞运动的实验室中，光速是速度移以及 光传播方向与速度秽之前的夹角0 的函数1 掣= t + ( 丢一p + 6 ) 2 掰p - o r - | ) 2 这里d 是时间膨胀参数，口是L o r e n t z 收缩参 数，6 表示横向收缩。在狭义相对论中，上式右边最 后两项是零。对于I S S 空间的钟实验，其I S S 的速 度相对于惯性空问将受到轨道速度的调制，从而引 起钟信号的周期性变化；而对于0 依赖项的情况，可 用两个正交的超导腔谐振器产生两个频率的方法来 实现，当谐振腔围绕着所选定的参考系被转动时，其 差频可以检测光速各向同性的违背性。目前，对光 的各向同性的限度得到的最好的结果是 ( _ 口+ 盯l 2 2 1 0 一；而0 非依赖项目前的限 、Z 制是( “一口一1 ) 6 9 1 0 7L 9 j 。若用I s S 空间钟 进行测试，由于钟的稳定度和准确度好于1 0 6 ，能 够希望把这个效应的限制减小到1 0 川，比目前所得 到的灵敏度至少高10 0 0 倍。 4 结束语 随着空问技术的发展以及与之平行发展的微波 和激光通讯技术和原子钟技术的应用，一起将打开 整个太阳系作为一个实验室，为空间科学试验提供 理想的实验环境。像天文观测一样，基础物理测试 也必从中得到许多好处，得到某些新物理现象的发 现。正如我们已经看到的，国外已经实施这种空间 测试计划；我国也将发射空间实验室和空间站，作为 科学储备，我国从现在就着手这方面的研究或许已 经是时候了。 参考文献 1 D u m o u rT ，P o l y a k o vA N u c l P h y s B ，1 9 9 4 ，4 2 ：4 2 3 2 尼古拉德米朵夫宇航计测技术，2 0 0 7 增刊：6 1 4 3 S a l o m nC ，D i m a r e qN ，A b g r a l lM ，e ta l ，C o l da t o mi n s p a c ea n da t o m i cc l o c k ；A C E S C RA c a dS c iP a r i s ， 2 0 0 1 ，I V 4 T j o e l k e rPR ，M a l e k iL p h y s R e v 1 e t t e r s ，1 9 9 57 4 ： 3 5 1 1 5 L u t eM a l e k ia n dJ o h np r e s t a g e S p a c e T i m eM i s s i o n ： C l o c kT e s to f R e l a t i v i t y a tF o u rS o