应用空间原子钟的基础物理测试

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1、2010年10月宇航计测技术Oct．’2010第30卷第5期JournalofAstronauticMetrologyandMeasurementV01．30，No．5文章编号：1000—7202(2010)05—0006-04中图分类号：TM935．115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200030；2．中科院研究生院，北京100039)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

2、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FundamentalPhysicsTestwithSpace-boardAtomicClocksZHAIZao．chen91LIYu．yin91一LIUTie．xinl(1．ShanghaiAstronomical0b8enratory，CAS，Shanghai200030；2．GraduateSchoolofCAS，Beijing100039)AbstractWiththecreationofnovalatomicclock，thefreq

3、uencystabilityperformancehasbeende—velopedtoveryhighlevel．Theywillplayaimportantrolesinspacescientifictesting．Thispaperwillin—troducesomeexperimentsintheareaoffundamentalphysicswhicharebeingproposedandtobeper-formedinthemicrogravityenvironment．KeywordsSpace-boardclo

4、cksMicrogravityFundamentalphysicsTest1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，Dumour和Ployakov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EEP(Einstein，sEquivalencePrinciple)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

5、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

6、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。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，

7、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10。17，10。18。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1×10—1310—161～2×10—141×10一”～lO一1610—1510—1610“10“．10

8、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