“天宮二號(hào)”里的空間冷原子鐘

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所

從日晷到冷原子鐘

在人類文明進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，人類活動(dòng)所帶來(lái)的社會(huì)需求與時(shí)間測(cè)量的精度是密不可分的。很久很久以前，我們的祖先記錄時(shí)問(wèn)是利用天體的周期性運(yùn)動(dòng)。他們?nèi)粘龆鳎章涠?，通過(guò)觀察自然現(xiàn)象，例如太陽(yáng)和月亮相對(duì)自己的位置來(lái)模糊地定義時(shí)間，這樣的時(shí)間被稱為自然鐘。

后來(lái)，人們逐漸發(fā)明了日晷、水鐘、沙漏等計(jì)時(shí)裝置，能夠指示時(shí)間按等量間隔流逝，這也標(biāo)志著人造時(shí)鐘開始出現(xiàn)。

而當(dāng)鐘擺等可長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)周期運(yùn)動(dòng)的振蕩器出現(xiàn)后，人們把任何能產(chǎn)生固定振蕩頻率的裝置，統(tǒng)稱為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)明了真正可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)鐘。

從14世紀(jì)到19世紀(jì)中葉的500年問(wèn)，人們首先采用古老的擺輪鐘代替了自然鐘（誤差約為1刻鐘/天），然后在鐘擺裝置的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出日益精密的機(jī)械鐘表（誤差約為1秒/年）。

從20世紀(jì)30年代開始，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機(jī)械鐘，成為人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫闹饕?jì)時(shí)裝置。

總而言之，“時(shí)間”已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中測(cè)量準(zhǔn)確度最高的基本物理量。人類通過(guò)不斷提高影響時(shí)間測(cè)量精度的長(zhǎng)度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度等其它基本物理量的測(cè)量精度，從而不斷提高時(shí)間測(cè)量精準(zhǔn)度。

20世紀(jì)40年代開始，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)展出比晶體鐘更高精度的原子鐘。

自從有了原子鐘，人類計(jì)時(shí)的精度以幾乎每10年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度飛速發(fā)展。到20世紀(jì)末，計(jì)時(shí)誤差約為1秒/300萬(wàn)年，在此基礎(chǔ)上建立的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（例如美國(guó)的GPS），覆蓋了整個(gè)地球98%的表而，將原子鐘的信號(hào)廣泛地應(yīng)用到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。

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。到目前為止，地而上精確度最高的冷原子噴泉鐘誤差已經(jīng)減小到1秒/3億年，更高精度的冷原子光鐘也在飛速發(fā)展中。

空間冷原子鐘向更高精度進(jìn)發(fā)

近年來(lái)，科學(xué)家們將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合，有望在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個(gè)數(shù)量級(jí)的原子鐘譜線，從而進(jìn)一步提高原子鐘精度，這將是原子鐘發(fā)展史上又一個(gè)重大突破。

科學(xué)家們經(jīng)過(guò)近10年的艱苦努力，2016年，中國(guó)第一臺(tái)空間冷原子鐘正樣產(chǎn)品研制成功，由“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室搭載進(jìn)入太空，成為國(guó)際上第一臺(tái)在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘。

空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，并且在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、深空探測(cè)、廣義相對(duì)論驗(yàn)證、引力波測(cè)量、地球重力場(chǎng)測(cè)量、基本物理常數(shù)測(cè)量等一系列重大技術(shù)和科學(xué)發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。

我們相信，人類的活動(dòng)范圍沒(méi)有極限，對(duì)時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求也就沒(méi)有極限！