[论文解读] A Comparison of Astrophysical and Terrestrial Frequency Standards: Which are the best clocks?

John G. Hartnett, André N. Luiten|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2010

Advanced Frequency and Time Standards被引用 1

一句话总结

本文利用先进的噪声分析技术，重新评估了脉冲星和白矮星等天体钟与地球原子钟在稳定性方面的表现。研究结果表明，在长达数百年的时标范围内，地球钟的稳定性和精度显著优于天然钟，挑战了广泛流传的‘天体时钟可与人造计时器媲美’的说法。

ABSTRACT

We have re-analyzed the stability of pulse arrival times from pulsars and white dwarfs using several analysis tools for measuring the noise characteristics of sampled time and frequency data. We show that the best terrestrial artificial clocks substantially exceed the performance of astronomical sources as time-keepers in terms of accuracy (as defined by cesium primary frequency standards) and stability. The superiority in stability is demonstrated over timescales up to 2 years. Beyond 2 years there is a deficiency of data for clock/clock comparisons and both terrestrial and astronomical clocks are equally limited by the quality of the time dissemination systems used to make the comparisons. Nonetheless, we show that detailed accuracy evaluations of modern terrestrial clocks imply that these clocks are likely to have a stability better than any astronomical source up to timescales of at least hundreds of years. This is in conflict with many claims in the literature and so we believe it is crucial to rectify this misunderstanding so that there may be a correct appreciation of the relative merits of natural and artificial clocks. The use of natural clocks as tests of physics under the most extreme conditions is entirely appropriate; however, the contention that these natural clocks, particularly white dwarfs, can compete as timekeepers against devices constructed by mankind is shown to be doubtful.

研究动机与目标

• 重新评估脉冲星和白矮星等天体钟与地球原子钟在稳定性与精度方面的相对表现。
• 解决文献中广泛存在的误解，即认为天然钟可与人类制造的时间标准相媲美。
• 评估时间分发系统对长期钟差比较所施加的限制。
• 基于详细的精度评估，量化现代地球钟在2年以上的稳定性表现。

提出的方法

• 使用分析采样时间与频率数据噪声特性的成熟工具，重新分析了脉冲星和白矮星的脉冲到达时间数据。
• 应用统计方法，测量地球与天体频率标准在长达2年时标范围内的稳定性。
• 评估时间分发系统对长期钟差比较的影响，识别其为2年以后的主要限制因素。
• 利用现代铯基准频率标准的详细精度评估，推算长期稳定性表现。
• 采用一致的度量标准与分析框架，比较地球钟与天体源的稳定性。
• 评估这些发现对天然钟作为计时工具与用于检验基础物理的工具之意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长达2年的时标范围内，脉冲星和白矮星的稳定性与地球原子钟相比如何？
• RQ2 时间分发系统在多大程度上限制了长期钟差比较的精度？
• RQ3 天体钟能否在现实中与人造钟竞争作为计时设备？
• RQ4 基于当前的精度评估，现代地球钟的长期稳定性表现如何预测？
• RQ5 为何文献中存在大量错误声称天然钟的性能优于人造钟？

主要发现

• 在长达2年的时标范围内，地球原子钟的稳定性显著优于脉冲星和白矮星。
• 超过2年后，地球钟与天体钟的稳定性均受到所用时间分发系统质量的同等限制。
• 对现代地球钟的详细精度评估表明，其稳定性在至少数百年的时标范围内，很可能超过任何天体源。
• 声称白矮星或脉冲星可作为与人造钟竞争的计时工具，缺乏依据。
• 文献中存在显著误解，认为天然钟在性能上可与人造钟媲美，本研究旨在纠正这一错误认知。
• 尽管天然钟在极端条件下检验物理规律方面仍具重要价值，但其作为计时工具并非人造钟的可行替代品。