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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 ; r( Q( S4 w; @: L) j7 ]

    % g' ]. f) y+ A# j: [- V前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。8 t4 d4 b2 w0 ?# o' t1 g
    6 D* O  O) D  P. ^
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。% b, A0 F5 F4 A9 q2 X( `
    4 X4 s. Q2 e  {, Y  a+ R
    个头、模样大致如此,二十六公斤。0 v" l& U* k' W2 h/ {! E

    + C2 K7 A  ]5 F氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。! z9 w0 p! `) I$ ~" \

    4 P( m" o) ?2 ~* O# P9 d  W当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。
    ; O5 h: z( m6 C: `
    # z0 ~% A; U- Y% Q0 U定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?% r7 O7 b  t( }2 J

    ( c, ?* j: g' v2 p7 O2 E4 i还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    ; {- u  p6 u1 }5 b: w
    9 n0 H9 P3 u# h- S也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!
    . u! F, [" T& [% N1 D
    $ n% N  T' O: ]( W9 J" ]不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    & z' ^, Z( R. r+ M8 g. P! j. T8 @: h4 K) ~
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。$ ]7 ]2 }. P1 u$ L3 y- W! g

    , H+ V% H* q' j说些个大家可能百度不到的。$ \/ E* g; M+ |6 Y
    ( y; G7 C9 \1 J
    ===前方高能===: o+ _$ F4 O* N; ?

    + o8 D, J) _/ F! W9 d, w5 w5 P- L原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。
    & B, R  w1 ?5 ?4 T* J% r
    : }9 T( o' I5 I: |5 Z那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    5 ~, Y, ]" Q$ \$ m& u) R5 }% Q- f0 \* H! ?& V- D9 E
    - {/ T" g2 ^8 m; L  g8 s" @0 q
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。. ]( X: Q8 N) g8 h; w5 ?& {

    : |% y% @8 l; q% K  l  S1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!* ]  H6 v7 e, M* T
    * |* p3 k- a# ~+ V
    那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    * G0 k7 m" s/ b9 c/ R& ]) q0 l& m5 ]/ E
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。& W7 t: D( R2 x8 i! X& L5 Y
    0 v/ [- J, L6 P
    1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。
    # e+ K( a+ G& j. [' w
    3 A( ~8 C+ G0 E# A) [+ m1986年,十的负十四次方。9 l4 P. Z, Y! w0 {) j  L" `  _
    3 z7 N2 W) B/ A5 i6 z# V5 P6 h, @
    2003年,十的负十五次方。
    5 |1 D" ?, F4 W* R
    ) r: Q, g- E/ B3 g$ N# Z2017年,十的负十六次方。
    - ]0 Z2 p% D, ~; j/ X7 B5 n7 v
    - D; f$ y) f5 e这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。
    5 }: k# A, N+ {3 U
    0 i4 d0 o# e5 |  x7 Y% i1 |。。。
    % U2 x, W% |+ |% S7 |0 R' A; a3 A% i4 t7 C7 e# z- X, j/ i

    ; Y) c4 d! Y5 W1 s今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。
    " p* V( p3 i4 e2 z* m. v* {) O" ]* c5 K$ @" f$ k0 _
    . q6 Y7 }% D! q  n1 G1 d
    ' q+ y) s9 o. H; {3 w

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  • TA的每日心情
    开心
    6 小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。
    ! w+ J6 _1 l0 T1 x& ^真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情

    昨天 07:01
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-9-27 11:31
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    , K% A* N; m  E; w2 t$ P8 A" o- M, n- U) N8 j% L1 f
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) s9 |9 t1 }- [( C( H, i4 e# m看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。4 }! t% F* z( f1 }; e+ c/ t; J
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    6 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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    开心
    6 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    2 Y2 L/ g" p- ^% t( m安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了

    - ]  N- T( ~! Q原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    6 V+ F0 K" k2 a他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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      发表于 2020-7-24 07:14

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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
    ' e* ~+ x( m- ~原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    2 b2 P" t/ V' j8 |8 L8 e1 T他 ...
    , Y3 Q6 V+ u& H+ |. V+ A
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    0 Q: j9 C! l  o2 j4 p5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    6 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    % g5 j# u, T2 k短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好. ?* u+ ?' J9 ^* z. j1 w9 y6 e/ Z# `: Q
    5071A好像这两年不好买了
    6 }* l: k7 f7 r9 \$ _  X  ]+ C' a: P
    这个短稳长稳有出处嘛?
    * w6 e" T' x; y; U: ^! {铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~
    . \; k8 V- J$ M) \3 T- Z7 |0 m所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    : b, p+ }: o0 {+ k$ ~这个短稳长稳有出处嘛?
    1 z9 j4 |/ R2 C/ ~. W+ |铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    / u2 P- U- ]+ w8 [" S4 Y/ K5 l
    ) n# H+ r, m, H7 s" M3 W2 C  [# W( D" X7 w4 ?. p) S
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图" S1 t, J$ ?9 w6 W
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
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      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
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    6 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:565 @6 `  `* v# n7 z6 }
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    0 e7 G2 ~+ @$ g6 n1 ~7 c! R( B5 x他 ...

    ; H- ?7 ~' i+ o; H8 i安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    6 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48- f* Z1 N+ v( D( J" v6 o
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图, l  Y+ C; F4 G0 N# u' H, z
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    4 K4 v" I- o7 V6 W. W
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    / M9 ?; a/ `. Y/ Y  z: c# w. g冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。6 a! ]% j( L2 p" R/ F# Z; m

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    3 y4 l' w* V9 r你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    6 G/ @) B9 h0 c( D1 f冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
      R% g( h6 d+ Q, A4 i
    可能高端的铯钟做的更好一些吧; e0 z) `  o- [0 L/ O
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    $ U  x3 p$ d$ V+ g/ p' F* a1 \1 n5 j时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01  v) Q1 ~3 }9 @* t  V5 a. m* ?
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ( {+ `* y: U0 m1 o
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    , q7 n4 ~9 o9 }* B0 Z' A% S可能高端的铯钟做的更好一些吧% T: T8 Z7 i. N# }; d( D, p
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    ' r& f$ L2 g! m+ P7 Q( }/ X# W时间基准据说 ...

    ' |5 P* w6 ?5 j% f; u请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56( n4 k! Y$ i0 k  Q* L0 e$ ?; `
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    4 T, D3 G8 ?" S如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整& H( N! ~* ?4 a! k

    % `$ n$ I& I) _+ b不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:299 V% g& Q# C' l3 r; {6 q- T
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    4 B6 k) n2 Q9 _& S* ]4 P* p- h3 l
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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