3000萬年，它才會走錯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“定時神針”會實現(xiàn)約3？000萬年誤差1秒的超高精度，是國際首臺在軌運行并開展科學(xué)實驗的空間冷原子鐘，也是目前在空間運行的最高精度原子鐘。那么，它是如何達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，就需要更準確的計時工具。目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘，它利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時，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行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。噴泉原子鐘是原子鐘的一種，當(dāng)它工作時，原子在電磁場以及重力的作用下沿著噴泉管上下運動，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個組成部分。和之前在太空運行的最高精度300萬年誤差1秒的熱原子鐘相比，這臺冷原子鐘將時間精度提升了10倍。

如果說機械表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，另一方面則因為其自身的“冷”。

在微重力環(huán)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，從而可獲得更高精度的原子鐘信號，實現(xiàn)在地面上無法實現(xiàn)的性能，這是原子鐘和時間基準發(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動對原子鐘性能的影響。

走得準其實很實用

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(tài)的影響，使得基于空間冷原子鐘授時的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有更加精確和穩(wěn)定的運行能力。同時冷原子技術(shù)的發(fā)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(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，就可以實現(xiàn)大尺度的高精度導(dǎo)航。

計時工具的新變革

原子鐘使計時精度飛速發(fā)展，而空間冷原子鐘更是人類計時史上的革命。

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(biāo)志著人造時鐘開始出現(xiàn)。

隨著鐘擺等可長時間反復(fù)周期運動的振蕩器的出現(xiàn)，人們發(fā)明了真正可持續(xù)運轉(zhuǎn)的時鐘，如擺鐘。在此基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出日益精密的機械鐘表，計時精度達到基本滿足人們?nèi)粘Ｓ嫊r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械鐘，應(yīng)用在電子計時器和其他各種計時領(lǐng)域，至今還是主要計時工具之一。

20世紀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。