太空實(shí)驗(yàn)室的精密時(shí)頻系統(tǒng)：探索時(shí)間的奧秘

出品：科普中國(guó)

作者：中國(guó)科普博覽

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

空間站作為長(zhǎng)期在軌的太空實(shí)驗(yàn)基地，承載著無(wú)數(shù)科學(xué)夢(mèng)想與研究任務(wù)。從最初的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭成功首飛，到天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的陸續(xù)入軌，中國(guó)空間站的建設(shè)歷時(shí)三十載，終于迎來(lái)了它的輝煌時(shí)刻。在這個(gè)宏偉的太空中，科學(xué)家們正以前所未有的精度探索時(shí)間的奧秘，而這一切都離不開(kāi)空間站內(nèi)高精度時(shí)頻系統(tǒng)的支持。

空間站的建設(shè)與布局

2020年，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭的成功首飛，標(biāo)志著中國(guó)載人航天工程“第三步”任務(wù)正式拉開(kāi)序幕。2021年，天和核心艙的順利升空，為空間站的組裝建造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。核心艙由節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙組成，能夠支持3名航天員長(zhǎng)期在軌工作生活，并搭載了多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，包括無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜和高微重力實(shí)驗(yàn)柜，為科學(xué)研究提供了寶貴平臺(tái)。

2024年剛好是天和核心艙在軌三周年

（圖片來(lái)源：中國(guó)載人航天官方網(wǎng)站）

隨后，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的加入，進(jìn)一步豐富了空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。?wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要用于支持航天員駐留、出艙活動(dòng)和開(kāi)展空間生命科學(xué)研究，擁有4個(gè)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。而夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙則更注重空間科學(xué)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，搭載了8-9個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，涵蓋了流體、燃燒、材料、基礎(chǔ)物理等多個(gè)研究領(lǐng)域。此外，夢(mèng)天艙還設(shè)置了貨物氣閘艙，支持貨物自動(dòng)進(jìn)出艙，為艙內(nèi)外科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了便捷條件。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射

（圖片來(lái)源：中國(guó)載人航天官方網(wǎng)站）

高精度時(shí)頻系統(tǒng)的構(gòu)建

在空間站的眾多科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜中，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜無(wú)疑是一個(gè)引人注目的亮點(diǎn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是原子物理學(xué)和射電微波技術(shù)的蓬勃發(fā)展，科學(xué)家們利用原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級(jí)具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點(diǎn)，發(fā)展出了比晶體鐘更高精度的原子鐘。而空間站上的高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜，正是集成了這些尖端技術(shù)的結(jié)晶。

天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射成果

（圖片來(lái)源：新華網(wǎng)）

2016年，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室搭載了空間冷原子鐘，精度達(dá)到了當(dāng)時(shí)的世界最高水平。到了2022年，“天宮”空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙又搭載了新一代的“冷原子微波鐘”，以及全球首臺(tái)“主動(dòng)氫原子鐘”和全球首套“冷原子鍶光鐘”，形成了“高精度的原子鐘組”。這些原子鐘協(xié)同工作，能夠長(zhǎng)期輸出超高精度的時(shí)間頻率信號(hào)，為科學(xué)研究提供了可靠的時(shí)間基準(zhǔn)。

高精度時(shí)頻系統(tǒng)的構(gòu)建，不僅提升了人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度，更為科學(xué)研究帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。在空間站上，科學(xué)家們可以利用這一系統(tǒng)開(kāi)展相對(duì)論及其理論的高精度檢驗(yàn)，探索時(shí)間的本質(zhì)與宇宙的奧秘。同時(shí)，這一系統(tǒng)還可以提高地面及空間重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)間同步性能，為導(dǎo)航定位、全球重力位測(cè)量等重大應(yīng)用提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。

此外，空間站作為一個(gè)長(zhǎng)期在軌的太空實(shí)驗(yàn)基地，未來(lái)的15到20年內(nèi)，將長(zhǎng)期開(kāi)展大規(guī)模的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)涉及天文學(xué)、地球觀測(cè)、空間物理等多個(gè)領(lǐng)域，需要高精度的時(shí)間頻率信號(hào)來(lái)確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，高精度時(shí)頻系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)于推動(dòng)空間科學(xué)與應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義。

結(jié)語(yǔ)

從最初的火箭發(fā)射到空間站的全面建成，中國(guó)載人航天工程走過(guò)了不平凡的歷程。如今，在空間站這個(gè)宏偉的太空中，科學(xué)家們正以前所未有的精度探索時(shí)間的奧秘。高精度時(shí)頻系統(tǒng)的構(gòu)建，不僅提升了人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度，更為科學(xué)研究帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。未來(lái)，隨著更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和新技術(shù)的應(yīng)用，中國(guó)空間站將繼續(xù)書寫屬于中國(guó)人的“太空時(shí)刻”，為人類探索宇宙、認(rèn)識(shí)世界貢獻(xiàn)更多智慧和力量。