誤差最小的鐘表

高峰

伴隨著“天宮二號”的發射，一臺“長相”與我們日常所用的鐘表完全不同的黑色圓柱體——空間冷原子鐘也進入太空開始履行自己的使命。

這臺“定時神針”會實現約3000萬年誤差1s的超高精度，是國際首臺在軌運行并開展科學實驗的空間冷原子鐘，也是目前在空間運行的最高精度的原子鐘。那么，它是怎樣達到這樣的超高精度的呢？它又是用來干什么的呢？

空間冷原子鐘是科學家們在地面噴泉原子鐘的基礎上，將激光冷卻原子技術與空間“微重力”環境相結合的噴泉冷原子鐘，主要包括物理單元、微波單元、光學單元和控制單元四個組成部分。相比于之前在太空中運行的最高精度為300萬年誤差1s的熱原子鐘，這臺冷原子鐘將時間精度提升了10倍。

機械表1天差不多有1s誤差，石英表10天大概有1s誤差，氫原子鐘數百萬年有1s誤差，而這臺冷原子鐘則可以做到3000萬年誤差1s。

空間冷原子鐘達到超高精度的秘訣主要在于“高、冷”，即一方面得益于太空中“天宮二號”的“微重力”環境，另一方面則是因為其自身的“冷”。

在“微重力”環境下，原子團可以做超慢速勻速直線運動，基于對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號，實現在地面上無法實現的性能，這是原子鐘和時間基準發展歷史上的重要突破。

此外，利用激光冷卻技術，將原子氣體冷卻至極低的溫度時，極大地消除了原子的熱運動對原子鐘性能的影響。

空間冷原子鐘可以在太空中對其他衛星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準，從而避免大氣和電離層多變狀態的影響，使得基于空間冷原子鐘授時的全球衛星導航系統具有更加精確和穩定的運行能力。

同時，冷原子技術的發展大幅度提高了許多實驗的精度，使原來不可能進行的實驗成為可能。比如在開展深空導航定位方面，若能在空間合適的位置放置高精度原子鐘，則可以實現大尺度的高精度導航。

原子鐘使計時精度飛速發展，而空間冷原子鐘更是人類計時史上的一場革命。

在歷史長河中，人們對于時間一直有自己的判斷和計量方法，日晷、水鐘、沙漏等計時裝置標志著人造時鐘的出現。隨著鐘擺等可長時間反復做周期性運動的振蕩器的出現，人們發明了真正可持續運轉的時鐘，如擺鐘。在此基礎上逐漸發展出日益精密的機械鐘表，計時精度達到基本滿足人們日常計時需要的水平。隨著晶體振蕩器的發明，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘表應用在電子計時器和其他各種計時領域。至今，石英晶體鐘還是主要的計時工具之一。

在20世紀40年代，科學家研制出了比晶體鐘更高精度的原子鐘，隨后在此基礎上研制出了噴泉冷原子鐘。

2016年，經過科學家們近10年的努力，中國第一臺空間冷原子鐘研制成功并隨“天宮二號”進入太空開展工作，不僅為各種量子敏感器奠定了技術基礎，而且在不久的將來一定還能在一系列重要領域中作出更大的貢獻。

（責任編輯 張巧）