守時(shí)大神—— 空間冷原子鐘

在浩瀚的宇宙中，有一只特殊的鐘，它沒有鐘擺的擺動(dòng)，也沒有秒針的滴答聲，它靜靜地存在于天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精準(zhǔn)地記錄著時(shí)間的流逝。這只鐘，就是人類歷史上首次在太空中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘，一個(gè)顛覆了傳統(tǒng)鐘表形象的科技奇跡。

空間冷原子鐘

什么是空間冷原子鐘

沒想到吧？這個(gè)黑匣子就是空間冷原子鐘，除了外形與傳統(tǒng)鐘表形象差異很大，在功能上，它與傳統(tǒng)鐘表也有所不同。這種時(shí)鐘的工作原理是利用原子在超低溫下的規(guī)律振動(dòng)來測(cè)量時(shí)間，其精確度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械鐘表或石英鐘?？臻g冷原子鐘與傳統(tǒng)手表相比，它不受機(jī)械磨損的影響；與傳統(tǒng)原子鐘相比，它在太空的微重力環(huán)境下運(yùn)行，微重力對(duì)原子振動(dòng)頻率的干擾非常小，能有助于實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間測(cè)量精度。

空間冷原子鐘得以精確計(jì)時(shí)的秘訣就在于它將激光冷卻技術(shù)與空間微重力環(huán)境進(jìn)行了結(jié)合，一方面得益于太空中“天宮二號(hào)”的“微重力”環(huán)境，另一方面則是因?yàn)槠渥陨淼募す饫鋮s技術(shù)。在太空微重力環(huán)境下，通過激光冷卻技術(shù)使得原子能做出超慢速的勻速直線運(yùn)動(dòng)。譬如，對(duì)于銫原子氣體，激光冷卻能將其溫度降至接近絕對(duì)零度。在這個(gè)溫度下，原子的熱運(yùn)動(dòng)幾乎被完全抑制，它們變得異常安靜和穩(wěn)定，這極大地消除了原子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)原子鐘性能的影響，所以原子在空中振動(dòng)的非常規(guī)律。之后，科學(xué)家們通過一種叫做晶體振蕩器的設(shè)備來放大這個(gè)振動(dòng)，從而就能實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量。我們分毫不差的“北京時(shí)間”就是由原子鐘組，包括銫原子噴泉鐘、氫鐘、銣噴泉守時(shí)鐘等所測(cè)定的時(shí)間通過加權(quán)平均后發(fā)出的，它被安置在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心地下一層，工作人員通過這個(gè)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，就能夠分毫不差地將“北京時(shí)間”同步給全國(guó)。

中國(guó)空間站在太空

為什么需要空間冷原子鐘

由于地球自轉(zhuǎn)逐漸放緩，這就意味著以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(shí)并不完全均勻。但在現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，十億分之一秒的時(shí)間誤差就會(huì)導(dǎo)致0.3米的定位誤差?！霸诰_打擊時(shí)代，原子鐘的作用不亞于原子彈?！?。精密的時(shí)間測(cè)量不僅是一國(guó)時(shí)間頻率科學(xué)先進(jìn)與否的戰(zhàn)略資源，更是國(guó)家主權(quán)的彰顯。

太空是科學(xué)研究的前沿陣地。在這里，精確的時(shí)間測(cè)量成為我們探索宇宙基本規(guī)律的鑰匙。從驗(yàn)證廣義相對(duì)論到尋找暗物質(zhì)和暗能量，每一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都可能改寫我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。再者，隨著深空探測(cè)任務(wù)的不斷推進(jìn)，無論是前往月球、火星還是更遠(yuǎn)的星系，精確的時(shí)間測(cè)量都是確保探測(cè)器按照預(yù)定軌道飛行、完成任務(wù)的關(guān)鍵。它如同太空船上的導(dǎo)航系統(tǒng)，指引著人類探索的腳步。

高精度的計(jì)時(shí)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，它對(duì)于驗(yàn)證廣義相對(duì)論、探索物理定律的普適性（例如，通過精確測(cè)量來檢驗(yàn)光速在不同條件下是否保持不變）、以及監(jiān)測(cè)原子物理常數(shù)（如普朗克常數(shù)h）是否隨時(shí)間變化等課題至關(guān)重要。在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，時(shí)間的精度同樣重要，例如，高鐵的調(diào)度系統(tǒng)依賴于秒級(jí)的精確時(shí)間來確保列車安全運(yùn)行；廣播電視行業(yè)需要毫秒級(jí)的精度來控制節(jié)目的準(zhǔn)時(shí)播放；4G通信網(wǎng)絡(luò)的基站同步也需要這樣的精度來保證通信順暢。

太空中的精密時(shí)間測(cè)量不僅是一項(xiàng)技術(shù)需求，更是人類探索宇宙、理解自然法則的重要工具。隨著我們對(duì)太空的探索不斷深入，對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量將變得更加關(guān)鍵，而空間冷原子鐘的出現(xiàn)將引領(lǐng)我們走向一個(gè)更加精確、更加廣闊的宇宙時(shí)代。

空間冷原子鐘在GPS和其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的作用

高精度時(shí)間測(cè)量是現(xiàn)代科技社會(huì)的基石之一，它在科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用、交通運(yùn)輸、通信技術(shù)乃至國(guó)防安全中都有著不可替代的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)時(shí)間精度的要求越來越高，這推動(dòng)了時(shí)間測(cè)量技術(shù)不斷向前發(fā)展。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模型

空間冷原子鐘不僅能夠提供精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)衛(wèi)星上的其他時(shí)鐘，還能夠通過精確的時(shí)間測(cè)量來計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)在大氣中的傳播延遲，進(jìn)而對(duì)這些延遲進(jìn)行校正，從而進(jìn)一步提升定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

除此之外，“空間冷原子鐘”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功還將為多種技術(shù)的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)，例如，空間超冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等，并且也會(huì)在深空探測(cè)、引力紅移、引力波探測(cè)、基本物理常數(shù)測(cè)量等一系列重大技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。

空間冷原子鐘的成功運(yùn)行，不僅標(biāo)志著原子鐘和時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)展歷史上的一次新突破，而且對(duì)于基礎(chǔ)物理普適性、空間科學(xué)、守時(shí)等方面都有非常重大的科學(xué)研究和工程應(yīng)用價(jià)值?？臻g冷原子鐘的研究和應(yīng)用，不僅推動(dòng)了精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，也為探索宇宙奧秘和提高人類生活質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的工具。

內(nèi)容綜合于中國(guó)科學(xué)院、上海光機(jī)所等

（科學(xué)性審核：閆昊明，中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所研究員）

本文來自： 中國(guó)數(shù)字科技館

責(zé)任編輯：王磊