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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 0 ]/ P9 D0 W; d7 [: |2 c7 a
    0 P# Y' y$ o" r. s- w
    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。
    6 e7 t* i3 l+ v5 E
    + F& T9 c! c. z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* {  [2 K0 ^. f2 _, u% y: ]+ N: o$ f
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : K. C# F1 Q  L" r* G4 i: t
    . W& F  t5 d. M) q' e; x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。
    % J8 J0 ]6 J3 y6 d4 F# q3 m3 a/ ~; S* |) R. r
    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。/ ~' @# f: g; Q  T2 }# M! L
    9 }5 @( B6 {. X
    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?, i5 c" |& u* Y2 g) j* Y9 A; a

    , Z! S7 r/ d+ N! [! X# j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。
    & J, @7 C5 m7 A' q1 ~& b
    4 u2 J+ U6 |5 p: Q8 b; k, f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!# v. s) ?5 E9 x

    + e& p% k& e9 u7 z+ }! s0 Q7 x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。
    + K% H9 z4 l8 S1 e, |
    , i; j- d/ s0 z- D4 C/ Q' 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。
    6 a+ r' W# C9 b- q) ^3 J$ B
    $ g7 b& r9 S! l- O: U9 A7 l说些个大家可能百度不到的。. t# G& J5 A( h% B
    7 U. e# ]- i4 }9 z
    ===前方高能===
    8 u+ @( R7 W8 T3 |/ ^$ U
    : d3 {$ o) B% h% {. ?2 P& r+ 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。
    4 n0 q; M+ C; ~0 O
    + C$ d4 o8 C$ ?) W, M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。& g" _* B( u8 [3 Y0 H8 E- K; _

    * g; I3 S. y) x1 W  E7 f. l: b9 E0 i$ O$ f6 r1 W/ h" [
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    $ r: C; B) P: W6 Q& j& J5 u' v) K) M% I  c8 [+ @
    1964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!
    " G' A( Y! A9 Z, k- }
    $ [' W. I7 C! W( Q$ o7 {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。. _# w: M5 a2 @1 r2 Z4 [9 z9 p2 y
    ( p7 Z# O- c$ B, `$ ?% j4 [0 E0 z
    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。
    , _; c  n9 e4 W# W( _- s6 ~* n' H2 {0 D) t5 D) Z, G2 k( {
    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。" P/ x' |6 i  V# e" R8 R. T, f( T8 u
    8 t3 f7 a; F# M2 x
    1986年,十的负十四次方。4 A! ?- r5 p! ?. z
    + W( C+ m- T( q* e/ f. m3 e# ]% [6 Q
    2003年,十的负十五次方。
    2 s; ^' I3 z8 x3 G  I/ q' e$ V% Z, H9 w- p/ X& [
    2017年,十的负十六次方。
      d0 D' ~" v2 `/ k
    ( {+ @  P$ p) f; o# s( ?( G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。
    # D. }6 u2 ~+ Q/ l/ ]+ a# i% x8 e- {9 K1 Q, Q4 K8 a/ R
    。。。8 A$ j6 r! ?' A2 a/ N
      [" k2 y+ X4 m7 b, |& G, A

    * j# Y; t' ^! a) Y' r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。
    8 z4 y9 M; h( r/ e7 e! G6 y5 G' l9 H
    5 C& \. R8 s( j4 m0 H9 p2 L3 Y- _9 E7 a( t

    ! y5 \- n4 ]* I, x9 b4 S

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  • TA的每日心情
    开心
    9 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。1 W$ `5 ?% q$ T9 V1 M$ m  q
    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
    慵懒
    10 小时前
  • 签到天数: 2815 天

    [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

    2021-2-24 23:26
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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
    昨天 11:14
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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
    & V. ^0 t9 p3 x2 C5 K$ K: u
    # m& y) z0 _  S3 d群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);5 Z& g7 \/ n* C/ M7 \( {
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    2 j0 V% ~$ ^- L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
    10 小时前
  • 签到天数: 3345 天

    [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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  • TA的每日心情
    开心
    9 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
    # _/ H. J" m: |- V. G( K; K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
    4 G: m5 o% U4 u' u! ~1 _
    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。
    8 w# z/ H7 M3 w, B8 W" a/ S+ t4 m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 22:33
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      发表于 2020-7-24 07:14

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    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 22:560 C2 o( J' v# p: c5 B6 ~. S4 n; Z
    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。8 I( r  z8 ~# I. ]0 ]
    他 ...
    0 A% Z" j! G. w& u- E
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好6 f. D  c, E  a3 q: q8 U
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    9 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- ?& e: ]9 Q; q5 T" l- V6 |  Q; \
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好9 U' J/ j& E4 U1 z& g% ]: E
    5071A好像这两年不好买了
    8 p% D5 M# c4 ]' @) P
    这个短稳长稳有出处嘛?0 g" _, [6 y$ l- T+ O" P
    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~~) _) H# ~: Q8 P: O
    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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    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 22:565 {# O% n; s; ^  L1 T
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ! o* g. q$ t7 L& |; W+ _* l- ]+ H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 ...

    4 x# F# ^, x% E* |+ a6 X2 O7 v
    ) G' |. W9 c% {" G2 N# _+ F* ^+ C$ l+ V- Y% t
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    0 S3 v  _) d2 `, ~" v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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      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
    慵懒
    10 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 22:56. n% i& K7 ]* Z" z
    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。/ z) Z; C5 N% y; x' ^
    他 ...
    & V) P; Q. P7 w- ?# M
    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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    开心
    9 小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    7 O8 R& W8 T2 v% Q, j1 f没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图- p/ m- G: d/ U8 u
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    $ X' `) K% u4 C) O& F% x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。  s1 e* r6 n2 G2 L& P& O
    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。# v! s, u. V( r' z( }# U

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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 03:357 G! k$ ^( |( c. Q
    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。  |7 h* H6 z" Z- g# J
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    5 ]+ Z& V8 q; b- }, A3 [可能高端的铯钟做的更好一些吧
    & r- R; F8 T( q. f, 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5 Q) c1 F; l% p6 D9 B
    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
    7 Z6 \' W7 V# f4 z7 C! P安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    6 m# ]% A! F/ ]# F8 h
    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
    1 E; A) X# S9 {  I; F" m可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 ~1 x- a* d' j1 ?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
    . b) y8 U9 R+ B3 V6 {9 Q) f时间基准据说 ...

    0 u( y% y' Y' l5 G) N/ W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
  • 签到天数: 1 天

    [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 00:561 a  L, d  R) [3 ~- d+ ?
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ' y1 ^* i6 @' B. K* c2 G; m; n
    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1 i6 g# x( s! i8 R. C. a  o

    * D) S- Z. N1 A. U2 F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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    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 10:29
    4 B/ ]6 z, \0 f# A6 ^* o7 Z1 _" m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 ...
    - t  f$ J% t9 b. v: k3 r/ `- }
    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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