3000萬年，它才會走錯(cuò)1秒鐘

高峰

伴隨著“天宮二號”的發(fā)射升空，一臺“長相”與我們?nèi)粘Ｋ玫溺姳硗耆煌暮谏珗A柱體——空間冷原子鐘來到太空，開始履行自己的使命。

這臺“定時(shí)神針”會實(shí)現(xiàn)約3？000萬年誤差1秒的超高精度，是國際首臺在軌運(yùn)行并開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘，也是目前在空間運(yùn)行的最高精度原子鐘。那么，它是如何達(dá)到如此驚人的超高精度的？它又是用來干什么的呢？

噴泉原子鐘

人們平時(shí)所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但在要求很高的生產(chǎn)、科研中，就需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具。目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘，它利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)，由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。噴泉原子鐘是原子鐘的一種，當(dāng)它工作時(shí)，原子在電磁場以及重力的作用下沿著噴泉管上下運(yùn)動(dòng)，以完成原子能級變化的檢測，就像噴泉一樣“升降”，所以取了這樣一個(gè)形象的名字。

它的秘訣就是“高冷”

空間冷原子鐘是在地面 噴泉原子鐘 的基礎(chǔ)上，將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合的噴泉冷原子鐘，主要包括物理單元、微波單元、光學(xué)單元和控制單元4個(gè)組成部分。和之前在太空運(yùn)行的最高精度300萬年誤差1秒的熱原子鐘相比，這臺冷原子鐘將時(shí)間精度提升了10倍。

如果說機(jī)械表1天差不多有1秒誤差，石英表10天大概有1秒誤差，氫原子鐘數(shù)百萬年有1秒誤差，那么這臺冷原子鐘則可以做到3 000萬年誤差1秒。

空間冷原子鐘達(dá)到超高精度的秘訣主要在于“高、冷”：一方面得益于太空中“天宮二號”的微重力環(huán)境，另一方面則因?yàn)槠渥陨淼摹袄洹薄?/p>

在微重力環(huán)境下，原子團(tuán)可以做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)，基于對這種運(yùn)動(dòng)的精細(xì)測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可獲得更高精度的原子鐘信號，實(shí)現(xiàn)在地面上無法實(shí)現(xiàn)的性能，這是原子鐘和時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)展歷史上的重要突破。

此外，利用激光冷卻技術(shù)，原子氣體被冷卻至極低的溫度，則極大地消除了原子熱運(yùn)動(dòng)對原子鐘性能的影響。

走得準(zhǔn)其實(shí)很實(shí)用

空間冷原子鐘可以在太空中對其他衛(wèi)星上的星載原子鐘進(jìn)行無干擾的時(shí)間信號傳遞和校準(zhǔn)，從而避免大氣和電離層多變狀態(tài)的影響，使得基于空間冷原子鐘授時(shí)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有更加精確和穩(wěn)定的運(yùn)行能力。同時(shí)冷原子技術(shù)的發(fā)展大幅度提高了許多實(shí)驗(yàn)的精度，使原來不可能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)成為可能。

比如在開展深空導(dǎo)航定位方面，若是能在空間合適的位置放置高精度原子鐘，就可以實(shí)現(xiàn)大尺度的高精度導(dǎo)航。

計(jì)時(shí)工具的新變革

原子鐘使計(jì)時(shí)精度飛速發(fā)展，而空間冷原子鐘更是人類計(jì)時(shí)史上的革命。

在歷史長河中，人們對于時(shí)間一直有自己的判斷和計(jì)量方法，日晷、水鐘、沙漏等計(jì)時(shí)裝置標(biāo)志著人造時(shí)鐘開始出現(xiàn)。

隨著鐘擺等可長時(shí)間反復(fù)周期運(yùn)動(dòng)的振蕩器的出現(xiàn)，人們發(fā)明了真正可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)鐘，如擺鐘。在此基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出日益精密的機(jī)械鐘表，計(jì)時(shí)精度達(dá)到基本滿足人們?nèi)粘Ｓ?jì)時(shí)需要的水平。隨著晶體振蕩器的發(fā)明，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機(jī)械鐘，應(yīng)用在電子計(jì)時(shí)器和其他各種計(jì)時(shí)領(lǐng)域，至今還是主要計(jì)時(shí)工具之一。

20世紀(jì)40年代開始，科學(xué)家發(fā)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘，并在此基礎(chǔ)上研制出噴泉冷原子鐘。

2016年，經(jīng)過科學(xué)家們近10年努力，中國第一臺空間冷原子鐘研制成功并隨“天宮二號”進(jìn)入太空開展工作，不僅為各種量子敏感器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，而且將在一系列重要領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。