一种利用宇宙射线的超精确新型时间同步技术

长期以来,太阳、月亮和恒星的运动一直被用来追踪时间,现在东京大学的工程师们提出了一种利用宇宙精确追踪时间的新方法,即使用来自宇宙射线的粒子束。

一种利用宇宙射线的超精确新型时间同步技术插图

上图:一种超精确的新时间同步技术利用宇宙射线。

对于我们大多数人来说,日常计时可能会延迟几秒钟,这并不会造成任何重大问题。 但在更多的科学、工业和技术场景中,纳秒级的差异可能至关重要。 精确地保持时间需要 GPS 和原子钟网络,但这些系统价格昂贵,而且不能在任意的地方工作(尤其是在地下或水下)。

东京大学研究人员概述的这种新技术,旨在解决这两个问题。他们称之为“宇宙时间同步(CTS)”,它的工作原理是追踪天空中的宇宙射线事件。

宇宙射线会不断地从外太空倾泻而来,当它们到达地球时,它们与大气中的粒子相互作用,将它们转化为其他粒子的阵雨。其中,产生的一种粒子是“μ子(介子)”,这种粒子具有很高的能量,可以穿透大多数物质,因此它们可以穿透地球表面和海洋几公里深。

一种利用宇宙射线的超精确新型时间同步技术插图2

上图:新的宇宙时间同步技术是如何工作的。

CTS系统将使用介子探测器来极其精确地同步一系列时钟,即使其中一些时钟在地下或水下也是如此。这一过程始于海拔约15公里(9英里)处,在那里,宇宙射线首先与大气相互作用,产生包括介子在内的粒子簇。这些介子都有一个特定的特征(基于产生它们的特定宇宙射线事件的特定特征),可以分布在几平方公里的区域内,这个范围内的任何CTS设备都可以同步到同一个介子雨,精度不到100纳秒。

这种技术听起来像是需要依赖很多运气和机会,就像试图同步闪电一样,但研究小组表示,这些宇宙射线撞击在地球上发生得非常频繁 ——地球上每平方公里大约每小时100次。这意味着一个CTS系统网络可以服务于世界大部分地区,包括GPS无法到达的地方。

该团队表示,该技术还有其他优势。CTS比GPS便宜得多,每个介子探测器的成本仅为100美元,而原子钟需要几十万美元。而且由于无法人工制作宇宙射线,因此 CTS 系统应该比 GPS 更安全地抵御黑客攻击。

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上图:宇宙计时设备。

该研究的主要作者田中博之说:“原理是可靠的,技术、探测器和计时电子设备已经存在。所以,我们可以相对较快地实施这个想法。基于卫星的时间同步在两极、山区或水下有很多盲点,而CTS可以填补这些空白和更多盲区。”

但该团队也承认,广泛地推广和采用该技术可能是一个主要障碍,但它可能会从 GPS 无法服务的领域开始。

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