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【通訊科技】科學家研「宇宙時間同步器」 或可取代GPS

10:00 2022/09/18

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CTS的運作原理,是利用傳感器檢測宇宙射綫與大氣層碰撞後留下的μ介子。(東京大學)

精準的時間同步是金融交易系統、工業自動化,以至陸地和海洋觀測網絡所需要的基本技術。不過,主流使用的全球定位系統(GPS),將訊號傳送至室內、地底和海底時,有部分會無法接收,導致電子儀器之間出現時間不一致情況。

有科學家研發了「宇宙時間同步器」(Cosmic Time Synchronizer,CTS),利用宇宙射綫解決上述問題。

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網絡科技應用在日常生活舉足輕重,電子儀器之間的時間同步要求亦相應提高。例如負責金融交易的電腦網絡,必須商定一個時間點來保證交易秩序。萬一系統之間出現時間誤差,或會造成金錢交易損失,甚至成為黑客網絡攻擊的漏洞。

此外,有些傳感器需要共同運作來監測許多物理事件,它們必須在時間上達成一致,以確定特定讀數的來源,這類傳感器甚至會被用作災難預警系統的一部分。

地下水底室內   傳輸易出錯

至於GPS及通訊網絡,大多是通過光纖或從軌道衛星向下發送訊號,並以確保對時間敏感的技術,時刻匹配到納秒(nanosecond)級別,故對每個組件之間的訊號傳輸,都要求近乎完美的時間同步。

現實情況卻是電子儀器很易受外在環境因素影響,令訊號無法作出精準的時間同步。例如當電子儀器相隔很遠,又或它們之間被流水與石頭阻隔時,傳輸訊號就很容易出錯,使網絡失去節奏、令儀器無法時間同步。

東京大學地球物理系教授田中宏幸(Hiroyuki Tanaka)表示,現今可使電子儀器長期保持時間同步的方法,是使用原子鐘(Atomic clocks),但這通常是用於大型和昂貴的電子儀器,而且非常容易壞,所以在一些生活應用是較難普及化。

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另一方面,要確保位處世界不同地點的電子儀器保持時間一致,也是甚具難度。田中宏幸舉例,用於GPS的軌道衛星,其時鐘需要定期與地面儀器的原子鐘進行校準,以保持運作的一致性。

不過,基於時間膨脹理論,地球引力會影響時間,所以儀器在移動軌道上的時間,與地面儀器上的時間,容易出現不同步情況。於是田中宏幸想到,利用宇宙射綫「μ介子」(muon)作訊號媒介,設計了CTS(宇宙時間同步器)來改善同步問題。

宇宙時間同步器   可改善問題

CTS的運作原理,是利用傳感器檢測宇宙射綫與大氣層碰撞後留下的μ介子。宇宙射綫會在距地表約15公里的高空散射,造成粒子雨(Particle shower),當中接近光速的μ介子,幾乎瞬間就能到達地面。

而位於多個地點的CTS可探測這些μ介子,並利用它們互相通訊。由於每次μ介子雨都有獨特的特徵,因此可讓CTS識別每次單一事件,從而作出相互同步。

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田中宏幸指出,μ介子可以輕易穿透岩石和水,這意味CTS可以在建築物、潛水艇和地下火車隧道中運作。他更提到:「現時衛星的時間同步在兩極、山區或水底都會出現很多盲點,CTS正好能填補這些空白。假以時日,CTS很可能會取代GPS的地位,徹底改變現今的計時方式,甚至改變導航系統的應用。」

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責任編輯:陳卓賢

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