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導(dǎo)語：去年10月萬眾矚目的“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射，“夢(mèng)天”搭載了世界首套空間冷原子鐘組。它的精準(zhǔn)度高得驚人，可以在數(shù)億年時(shí)間里控制誤差在1秒以內(nèi)，成功打破了世界紀(jì)錄。它到底是怎樣工作的？時(shí)間和定位精度之間怎么會(huì)有聯(lián)系？

一、“夢(mèng)天”空間冷原子鐘組世界最準(zhǔn)

如今導(dǎo)彈的制導(dǎo)，很少能繞開一樣?xùn)|西——衛(wèi)星定位。按北斗工程總設(shè)計(jì)師孫家棟院士的說法：做不出原子鐘，“北斗”系統(tǒng)就建不成。

“北斗”系統(tǒng)定位的核心原理是利用多個(gè)衛(wèi)星組網(wǎng)并計(jì)算距離（由信號(hào)接收時(shí)間差乘以電磁波的光速獲得）來確定物體在地球上的位置，這種算法的精度主要取決于授時(shí)精度和衛(wèi)星之間的時(shí)間對(duì)齊程度。

空間原子鐘被譽(yù)為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”，直接決定了導(dǎo)航定位精度。它能為導(dǎo)航系統(tǒng)提供具備超高穩(wěn)定性的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)，更好地確定相互之間的距離，直接決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、測(cè)速和授時(shí)精度。導(dǎo)航系統(tǒng)的精度究竟能達(dá)到米級(jí)、分米級(jí)、還是厘米級(jí)，很大程度上依賴于空間原子鐘的性能。

北斗系統(tǒng)采用新型氫原子鐘、高精度星載銣鐘等技術(shù)

作為“天宮”空間站的二號(hào)實(shí)驗(yàn)艙，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙要由8個(gè)實(shí)驗(yàn)柜構(gòu)成。作為空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜里，擁有世界第一套由主動(dòng)氫原子鐘、冷原子銣鐘、冷原子光鐘組成的空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)，是太空中首個(gè)最高精度的時(shí)間頻率系統(tǒng)——可以在五十億年時(shí)間里將誤差控制在一秒以內(nèi)。

整套空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)由一臺(tái)氫鐘、一臺(tái)銣鐘和一臺(tái)鍶鐘構(gòu)成，分別由航天科工集團(tuán)二院203所、中科院上海光機(jī)所、中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研制，被共同固定在兩個(gè)冰箱大小的框架中。

銣鐘樣機(jī)

原子鐘組里的氫鐘是一種主動(dòng)型氫原子鐘，精度達(dá)到數(shù)百萬年誤差一秒，類似產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)已發(fā)射的衛(wèi)星中，作為校準(zhǔn)的參考對(duì)象；

銣鐘則是一種冷原子噴泉鐘，通過激光將原子冷卻后，再利用微波激發(fā)銣原子的能級(jí)躍遷進(jìn)行計(jì)數(shù)，精度達(dá)到三千萬年誤差一秒；

最精確的莫過于鍶鐘，它也是我國(guó)首次發(fā)射上天的光鐘，它通過可見光激發(fā)鍶原子的能級(jí)躍遷進(jìn)行計(jì)數(shù)，精度高達(dá)數(shù)十億年誤差一秒度高達(dá)數(shù)十億年誤差一秒。

鍶鐘樣機(jī)

將不同類型的冷原子鐘組合在一起，形成一個(gè)冷原子鐘組。冷原子鐘組可以實(shí)現(xiàn)不同頻率之間的轉(zhuǎn)換和比較，從而提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。發(fā)射到太空中后，這三臺(tái)“又高又冷”的鐘可以獨(dú)立工作并相互比較讀數(shù)，從而以前所未有的精確度測(cè)量時(shí)間，甚至已經(jīng)超過了地面上最為先進(jìn)的單臺(tái)冷原子鐘。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙主要實(shí)驗(yàn)柜

二、冷原子鐘是如何計(jì)時(shí)的？

作為一種更精確的計(jì)時(shí)方法，原子鐘的誕生離不開人類在20世紀(jì)40年代原子核物理領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

原子是構(gòu)成元素的最基本單元，同時(shí)也是化學(xué)變化中的最小微粒，當(dāng)原子從一個(gè)能量態(tài)躍遷至低的能量態(tài)時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波，就是人們所說的共振頻率。同一種原子的電磁波特征頻率是一定的，可用作一種節(jié)拍器來保持高度精確的時(shí)間。原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特征頻率同步作為產(chǎn)生時(shí)間脈沖的節(jié)拍器。

振蕩器產(chǎn)生微波或者光信號(hào)，通過精密可調(diào)的乘法器（微波/光頻鏈路）與原子介質(zhì)作用，探測(cè)原子介質(zhì)躍遷后的能態(tài)變化，鎖定振蕩器，振蕩器輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。這是原子鐘最基本的部分，稱之為原子頻標(biāo)，加上頻率計(jì)數(shù)和積分等計(jì)時(shí)器功能就構(gòu)造成全部的原子鐘。

原子鐘的原理圖

在發(fā)現(xiàn)原子共振現(xiàn)象后，物理學(xué)家就開始嘗試將其振動(dòng)結(jié)果定義為標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量單位。例如銫-133在零下273度條件下的共振頻率為每秒9192631770次（約91億次），這也是目前國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）對(duì)于”秒“的定義。

原子鐘依靠計(jì)數(shù)測(cè)量原子的共振頻率，并進(jìn)行反推，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)時(shí)。它的優(yōu)勢(shì)在于不含放射性，且不受相對(duì)論效應(yīng)的影響，具有低漂移、高穩(wěn)定性、抗輻射、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，這讓它在太空中有著用武之地，發(fā)射至太空中工作的被稱為空間原子鐘。其中基于微波激發(fā)的被稱為噴泉鐘，被光激發(fā)的被稱為光鐘。

物體越冷，原子運(yùn)動(dòng)越慢

使用冷原子進(jìn)行計(jì)時(shí)，是因?yàn)樗拿總€(gè)原子接近于靜止?fàn)顟B(tài)，方便將原子限定在特定空間中，有利于人類利用振動(dòng)計(jì)時(shí)，這樣的原子很“冷”是結(jié)果而非原因。

這就是國(guó)際度量衡大會(huì)嚴(yán)格定義銫原子必須處于零下273度的原因：靜止的原子排除了運(yùn)動(dòng)的干擾，相比于更“熱”、運(yùn)動(dòng)速率較大的原子，其共振頻率輸出將更穩(wěn)定，且更易被儀器捕捉。這就需要依靠特殊方法將原子減速，導(dǎo)致了溫度的下降，達(dá)到定義中的零下273度低溫。

三、如何讓環(huán)境變成“最冷”？

空間冷原子鐘精確計(jì)時(shí)秘訣在于“高、冷”二字：一方面得益于太空中的“微重力”環(huán)境，另一方面則因?yàn)殓娮陨淼摹袄洹薄?/p>

我們雖然看不見原子或分子，但里面的原子或分子都在運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生熱，這便是熱原子。冷原子技術(shù)是用激光的方法將原子溫度從室溫降低到接近絕對(duì)零度。對(duì)這些幾乎不動(dòng)的原子進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。

制造冷原子鐘的最大難點(diǎn)，莫過于將目標(biāo)原子速率降低至接近于零。

絕對(duì)零度可以無限接近但無法達(dá)到

出于不同的研究目的，科學(xué)家需要?jiǎng)?chuàng)造盡可能接近于絕對(duì)零度的環(huán)境，使原子在“最冷”的環(huán)境下?lián)碛蟹€(wěn)定的狀態(tài)。這就需要從熱能的定義上出發(fā)，使原子“變冷”的根本是需要通過某種方法對(duì)原子減速，當(dāng)速率降至接近于零，實(shí)際上體系的溫度就越接近絕對(duì)零度。

對(duì)于這一難題，華裔科學(xué)家朱棣文提出了“激光冷卻和捕獲原子的方法”，極大推動(dòng)了冷原子物理學(xué)的發(fā)展，并以此獲得了1997年諾貝爾獎(jiǎng)。

原子由原子核和繞原子運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成。對(duì)某一個(gè)原子來說，穩(wěn)定的原子核需要通過巨大的能量才能轟開，很難發(fā)射能量交換，它的電子卻容易與外來的光子發(fā)生作用。當(dāng)電子從低軌道躍遷到高軌道時(shí)，它需要吸收相應(yīng)的能量。當(dāng)特定頻率的光子被原子吸收后，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，這將導(dǎo)致原子的速率發(fā)生變化。

原子能夠被激光捕獲和減速

基于這個(gè)效應(yīng)，科學(xué)家設(shè)計(jì)了從六個(gè)方向入射激光的裝置，針對(duì)目標(biāo)原子調(diào)整激光的頻率到一個(gè)合適的值，保證光子被吸收。

這樣的設(shè)計(jì)的目的是：無論原子朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，它總是會(huì)吸收到迎面而來的光子。這些原子就好似處在特定頻率光子形成的“粘稠糖漿”中，它們向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的速率會(huì)不斷降低，直到幾乎靜止，從而降低整個(gè)體系的熱能。這已經(jīng)成為了國(guó)際上構(gòu)造冷原子鐘極低溫環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)手段。

隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展，利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時(shí)間測(cè)量的精度進(jìn)一步提高，正以幾乎每十年提升一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度發(fā)展。

四、超高精度授時(shí)助力多領(lǐng)域發(fā)展

站得高，望得遠(yuǎn)，對(duì)于衛(wèi)星之間也是如此。目前的星載鐘需要依靠不斷與地面的冷原子鐘進(jìn)行對(duì)齊，才能夠獲得較精確的時(shí)間信息，但星地之間相對(duì)較長(zhǎng)的距離，以及大氣層和電離層的存在都會(huì)導(dǎo)致同步過程有所波動(dòng)。

如果在星間鏈路本身建立一套精確授時(shí)系統(tǒng)，它就可以作為宇宙空間中的授時(shí)中心，將基于空間時(shí)間坐標(biāo)系下的超高精度時(shí)間信息毫無干擾地傳輸給其他衛(wèi)星。

高精度時(shí)頻系統(tǒng)將直接對(duì)星載鐘進(jìn)行調(diào)校

通過“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的聯(lián)合校準(zhǔn)，在形成一個(gè)太空坐標(biāo)系下的時(shí)間頻率網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，無論是太空中的授時(shí)精度、還是面向地面的導(dǎo)航精度（能夠從米級(jí)精確至厘米級(jí)）都能夠大幅提升。

同時(shí)它還能有效支持很多基礎(chǔ)科學(xué)的研究，例如論證愛因斯坦廣義相對(duì)論、更精確地測(cè)量物理常數(shù)和遙遠(yuǎn)星系距離、監(jiān)控引力波現(xiàn)象、尋找暗物質(zhì)和暗能量的證據(jù)、探索宇宙中的引力紅移現(xiàn)象、觀察遙遠(yuǎn)星系的合并等，為我國(guó)后續(xù)的天文物理研究創(chuàng)造更好的條件。

結(jié)語：

我國(guó)眾多太空探索計(jì)劃下的衛(wèi)星之間相距幾百萬公里，卻需要在毫米級(jí)別尺度上感知到對(duì)方的發(fā)出的激光信號(hào)，這都需要極高精度的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)能力。而現(xiàn)在，我國(guó)在太空中擁有了最好的授時(shí)系統(tǒng)，這將支持我國(guó)在太空中多領(lǐng)域的研究。毫無疑問，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙中的冷原子鐘組將賦予宇宙探索新的想象。

參考文獻(xiàn)：

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[2]中國(guó)政府網(wǎng). 中國(guó)空間站將應(yīng)用自主研發(fā)的主動(dòng)型原子鐘

[3]科技時(shí)壇. 數(shù)十億年誤差一秒！中國(guó)造出世界首套冷原子鐘組，到底有什么用？

[4]中科院物理所. 光是如何讓原子冷靜下來的？

[5]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng). 從古至今，授時(shí)都經(jīng)歷了什么？