伴隨著“天宮二號(hào)”的發(fā)射升空，一臺(tái)“長(zhǎng)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(lái)到太空開始履行自己的使命。這臺(tái)由中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的“定時(shí)神針”會(huì)實(shí)現(xiàn)約3000萬(wàn)年誤差1秒的超高精度，是國(guó)際首臺(tái)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，它是怎樣達(dá)到這樣的超高精度的呢？它又是用來(lái)干什么的呢？
�、� 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(chǔ)上，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。相比于之前太空運(yùn)行的最高精度300萬(wàn)年誤差1秒的熱原子鐘，這只冷原子鐘將時(shí)間精度提升了10倍。
中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉亮介紹說，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(wàn)年有1秒誤差，那么這臺(tái)冷原子鐘則可以做到3000萬(wàn)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(hào)”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(duì)這種運(yùn)動(dòng)的精細(xì)測(cè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)在地面上無(wú)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(duì)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(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生熱，便是熱原子。冷原子技術(shù)則是用激光的方法將原子溫度從室溫降低到接近絕對(duì)零度。對(duì)這些幾乎不動(dòng)的原子進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確�！眲⒘两忉尩馈�
�、� 應(yīng)用廣泛的實(shí)用鐘
空間冷原子鐘可以在太空中對(duì)其他衛(wèi)星上的星載原子鐘進(jìn)行無(wú)干擾的時(shí)間信號(hào)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(lái)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。劉亮說：“最合適的位置是太陽(yáng)系中的各個(gè)拉格朗日點(diǎn)，因?yàn)檫@里不受引力的影響。若在這些點(diǎn)上各放置一臺(tái)高精度原子鐘，則至少可以在太陽(yáng)系內(nèi)較大范圍中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。這一旦實(shí)現(xiàn)，就可以進(jìn)行大尺度時(shí)空研究�！�
同時(shí)，空間冷原子干涉儀可以取代空間激光干涉儀，實(shí)現(xiàn)在軌引力波探測(cè)。以往采用激光干涉儀探測(cè)引力波，需要兩個(gè)臂，這就意味著所有的方案都必須要有3個(gè)位置，也就是需要3顆衛(wèi)星。目前中國(guó)實(shí)施空間引力波探測(cè)的“太極計(jì)劃”和“天琴計(jì)劃”都需要3顆衛(wèi)星，而空間冷原子干涉儀只需要兩顆衛(wèi)星就能探測(cè)引力波，技術(shù)難度和成本都有所降低。
另外，空間冷原子鐘還可以測(cè)量引力紅移。根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)間沒有一個(gè)統(tǒng)一的概念，在不同引力場(chǎng)里面，時(shí)間是不一樣的。“如果我們天上有個(gè)原子鐘，地面也有個(gè)原子鐘，都很準(zhǔn)確，那么一比較就知道，時(shí)間相差多少，然后利用這個(gè)時(shí)間差就可以測(cè)量引力紅移。”劉亮說。
③ 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(zhǎng)河中，人們對(duì)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(zhǎng)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)器和其它各種計(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(guó)第一臺(tái)空間冷原子鐘研制成功并隨“天宮二號(hào)”進(jìn)入太空開展任務(wù)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)。
“未來(lái)可能出現(xiàn)更精準(zhǔn)的原子核鐘，”劉亮說，“我們終極目標(biāo)是制造出在宇宙的生命周期內(nèi)永不會(huì)走偏的時(shí)鐘。”崔馨月
