中國空間冷原子鐘定時世界：精度3000萬年誤差1秒

伴隨著“天宮二號”的發射升空，一臺“長相”與我們日常所用的鐘表完全不同的黑色圓柱體——空間冷原子鐘來到太空開始履行自己的使命。這臺由中科院上海光學精密機械研究所研制的“定時神針”會實現約3000萬年誤差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，它是怎樣達到這樣的超高精度的呢?它又是用來干什么的呢?

① 超高精度的“高冷”鐘

空間冷原子鐘是在地面噴泉原子鐘的基礎上，科學家們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4個組成部分。相比于之前太空運行的最高精度300萬年誤差1秒的熱原子鐘，這只冷原子鐘將時間精度提升了10倍。

中國科學院上海光機所量子光學重點實驗室主任劉亮介紹說，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，氫原子鐘數百萬年有1秒誤差，那么這臺冷原子鐘則可以做到3000萬年誤差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”環境;另一方面則因為其自身的“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，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。

“就像你坐在房間里，雖然看不見原子或分子，但里面的原子或分子都在運動，運動就會產生熱，便是熱原子。冷原子技術則是用激光的方法將原子溫度從室溫降低到接近絕對零度。對這些幾乎不動的原子進行測量，結果會更加準確。”劉亮解釋道。

② 應用廣泛的實用鐘

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，若是能在空間合適的位置放置高精度原子鐘，就可以實現大尺度的高精度導航。劉亮說：“最合適的位置是太陽系中的各個拉格朗日點，因為這里不受引力的影響。若在這些點上各放置一臺高精度原子鐘，則至少可以在太陽系內較大范圍中實現準確的定位。這一旦實現，就可以進行大尺度時空研究。”

同時，空間冷原子干涉儀可以取代空間激光干涉儀，實現在軌引力波探測。以往采用激光干涉儀探測引力波，需要兩個臂，這就意味著所有的方案都必須要有3個位置，也就是需要3顆衛星。目前中國實施空間引力波探測的“太極計劃”和“天琴計劃”都需要3顆衛星，而空間冷原子干涉儀只需要兩顆衛星就能探測引力波，技術難度和成本都有所降低。

另外，空間冷原子鐘還可以測量引力紅移。根據廣義相對論，時間沒有一個統一的概念，在不同引力場里面，時間是不一樣的。“如果我們天上有個原子鐘，地面也有個原子鐘，都很準確，那么一比較就知道，時間相差多少，然后利用這個時間差就可以測量引力紅移。”劉亮說。

③ 計時工具的新變革

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開始出現。

隨著鐘擺等可長時間反復周期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應用在電子計時器和其它各種計時領域，至今，還是主要計時工具之一。

20世紀40年代開始，科學家發展出比晶體鐘更高精度的原子鐘，并在此基礎上研制出噴泉冷原子鐘。

2016年，經過科學家們近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”進入太空開展任務工作，不僅為各種量子敏感器奠定技術基礎，而且將在一系列重要領域作出貢獻。

“未來可能出現更精準的原子核鐘，”劉亮說，“我們終極目標是制造出在宇宙的生命周期內永不會走偏的時鐘。”