揭秘“時(shí)間魔盒”原子鐘

朱璽

對(duì)未知的向往，使人類從未停止對(duì)時(shí)間頻率測(cè)量精度的追求，原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。

時(shí)間是什么？時(shí)鐘會(huì)告訴我們時(shí)間，它是我們生活不可或缺的一部分。

當(dāng)人類意識(shí)到時(shí)間的流逝，便開(kāi)始利用周期性現(xiàn)象對(duì)時(shí)間進(jìn)行追蹤。遠(yuǎn)古時(shí)期，人類通過(guò)草木枯榮判定季節(jié)，通過(guò)觀察太陽(yáng)、月亮在天空中的運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷時(shí)間，日出而作，日落而息。后來(lái)，人們探索出了通過(guò)滴水來(lái)計(jì)時(shí)的水鐘，流沙計(jì)時(shí)的沙漏等。二戰(zhàn)后，美國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室研制出了世界上第一臺(tái)原子鐘，代表了人類一個(gè)歷史性的跨越。1967年，秒長(zhǎng)的定義溯源到了原子上。此后，各種原子鐘相繼問(wèn)世，成了目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具，實(shí)用性也越來(lái)越高。

原子鐘其實(shí)離人們?nèi)粘Ｉ詈芙?。例如，原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著“心臟”般的作用。當(dāng)我們拿出手機(jī)打開(kāi)導(dǎo)航軟件，能夠看到自己的地理位置，輸入目的地，導(dǎo)航軟件能夠規(guī)劃路線，且實(shí)時(shí)告訴我們需要向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)。這是如何做到的呢？

我們先來(lái)看一下衛(wèi)星導(dǎo)航與定位的原理。在三維空間中，建立坐標(biāo)系，當(dāng)已知3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及第四個(gè)未知點(diǎn)分別與已知點(diǎn)之間的距離，那么未知點(diǎn)的坐標(biāo)就可以被確定。同理，當(dāng)我們?cè)诘厍蛏涎鐾炜?，至少能夠同時(shí)看到3顆衛(wèi)星，衛(wèi)星飛行在自己的軌道上，它的運(yùn)行軌跡被編入星歷，同時(shí)接收3顆衛(wèi)星發(fā)來(lái)的星歷，經(jīng)過(guò)解算，可以知道衛(wèi)星的位置。此外，還需要知道我們與衛(wèi)星之間的距離。距離等于速度乘以時(shí)間，光傳播速度是每秒30萬(wàn)公里，所以只需要知道信號(hào)傳播時(shí)間就可以了。

此時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)航定位的關(guān)鍵便是時(shí)間的測(cè)量。

這就需要原子鐘隆重登場(chǎng)了，每顆衛(wèi)星及地面站里都配備了一組原子鐘，時(shí)間信號(hào)隨星歷一同發(fā)送，在解算衛(wèi)星位置的過(guò)程中，也能夠同時(shí)得到時(shí)間信息以及距離。這樣，我們的位置便可以被計(jì)算出來(lái)。

日常生活中的手機(jī)等電子產(chǎn)品，通常內(nèi)置導(dǎo)航模塊，能夠?qū)崟r(shí)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并依據(jù)一定的算法進(jìn)行解算。于是，便有了我們對(duì)自身位置的實(shí)時(shí)掌控。如果原子鐘提供的時(shí)間誤差在1微秒，那么定位誤差將高達(dá)300米。如果要達(dá)到米量級(jí)的導(dǎo)航，在不考慮其他誤差因素的情況下，原子鐘提供的時(shí)間誤差需保持在3納秒。

時(shí)間的精密測(cè)量決定了導(dǎo)航定位的精度，如果沒(méi)有原子鐘，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)航了。

原子鐘究竟有多準(zhǔn)呢？拿機(jī)械手表、石英鐘對(duì)比一下。當(dāng)我們帶著機(jī)械手表開(kāi)著車，繞北京四環(huán)跑1圈，大概1個(gè)小時(shí)，機(jī)械手表就偏差了1秒;對(duì)于石英鐘來(lái)說(shuō)，偏差1秒差不多需要270年;而原子鐘偏差1秒需要多久呢，3000萬(wàn)年！假如我們送給地球上最后一只霸王龍一臺(tái)原子鐘，那么到今天，這臺(tái)原子鐘只偏差了2秒。

浩瀚宇宙中藏著未知的秘密，我們渴望知道黑洞里面是什么樣子，我們渴望看到引力波的痕跡，我們也渴望與地球外的生物對(duì)話，這些對(duì)未知的向往，使人類從未停止對(duì)時(shí)間頻率測(cè)量精度的追求，原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。（作者系中國(guó)航天科工二院203所設(shè)計(jì)師）

摘編自搜狐網(wǎng)