冷原子钟：是卫星的“心脏”、导弹的“眼睛”

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导语：去年10月万众瞩目的“梦天”实验舱成功发射，“梦天”搭载了世界首套空间冷原子钟组。它的精准度高得惊人，可以在数亿年时间里控制误差在1秒以内，成功打破了世界纪录。它到底是怎样工作的？时间和定位精度之间怎么会有联系？

一、“梦天”空间冷原子钟组世界最准

如今导弹的制导，很少能绕开一样东西——卫星定位。按北斗工程总设计师孙家栋院士的说法：做不出原子钟，“北斗”系统就建不成。

“北斗”系统定位的核心原理是利用多个卫星组网并计算距离（由信号接收时间差乘以电磁波的光速获得）来确定物体在地球上的位置，这种算法的精度主要取决于授时精度和卫星之间的时间对齐程度。

空间原子钟被誉为导航卫星的“心脏”，直接决定了导航定位精度。它能为导航系统提供具备超高稳定性的时间频率基准信号，更好地确定相互之间的距离，直接决定了导航系统的定位、测速和授时精度。导航系统的精度究竟能达到米级、分米级、还是厘米级，很大程度上依赖于空间原子钟的性能。

北斗系统采用新型氢原子钟、高精度星载铷钟等技术

作为“天宫”空间站的二号实验舱，“梦天”实验舱要由8个实验柜构成。作为空间站中最复杂的实验柜，高精度时频实验柜里，拥有世界第一套由主动氢原子钟、冷原子铷钟、冷原子光钟组成的空间高精度时频系统，是太空中首个最高精度的时间频率系统——可以在五十亿年时间里将误差控制在一秒以内。

整套空间高精度时频系统由一台氢钟、一台铷钟和一台锶钟构成，分别由航天科工集团二院203所、中科院上海光机所、中科院武汉物理与数学研究所研制，被共同固定在两个冰箱大小的框架中。

铷钟样机

原子钟组里的氢钟是一种主动型氢原子钟，精度达到数百万年误差一秒，类似产品已经被广泛应用于我国已发射的卫星中，作为校准的参考对象；

铷钟则是一种冷原子喷泉钟，通过激光将原子冷却后，再利用微波激发铷原子的能级跃迁进行计数，精度达到三千万年误差一秒；

最精确的莫过于锶钟，它也是我国首次发射上天的光钟，它通过可见光激发锶原子的能级跃迁进行计数，精度高达数十亿年误差一秒度高达数十亿年误差一秒。

锶钟样机

将不同类型的冷原子钟组合在一起，形成一个冷原子钟组。冷原子钟组可以实现不同频率之间的转换和比较，从而提高整体系统的稳定性和可靠性。发射到太空中后，这三台“又高又冷”的钟可以独立工作并相互比较读数，从而以前所未有的精确度测量时间，甚至已经超过了地面上最为先进的单台冷原子钟。

“梦天”实验舱主要实验柜

二、冷原子钟是如何计时的？

作为一种更精确的计时方法，原子钟的诞生离不开人类在20世纪40年代原子核物理领域突飞猛进的发展。

原子是构成元素的最基本单元，同时也是化学变化中的最小微粒，当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会释放电磁波，就是人们所说的共振频率。同一种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节拍器来保持高度精确的时间。原子钟就是利用保持与原子的电磁波特征频率同步作为产生时间脉冲的节拍器。

振荡器产生微波或者光信号，通过精密可调的乘法器（微波/光频链路）与原子介质作用，探测原子介质跃迁后的能态变化，锁定振荡器，振荡器输出标准频率信号。这是原子钟最基本的部分，称之为原子频标，加上频率计数和积分等计时器功能就构造成全部的原子钟。

原子钟的原理图

在发现原子共振现象后，物理学家就开始尝试将其振动结果定义为标准的时间计量单位。例如铯-133在零下273度条件下的共振频率为每秒9192631770次（约91亿次），这也是目前国际计量大会（CGPM）对于”秒“的定义。

原子钟依靠计数测量原子的共振频率，并进行反推，从而实现精准计时。它的优势在于不含放射性，且不受相对论效应的影响，具有低漂移、高稳定性、抗辐射、体积小、重量轻、功耗低等特点，这让它在太空中有着用武之地，发射至太空中工作的被称为空间原子钟。其中基于微波激发的被称为喷泉钟，被光激发的被称为光钟。

物体越冷，原子运动越慢

使用冷原子进行计时，是因为它的每个原子接近于静止状态，方便将原子限定在特定空间中，有利于人类利用振动计时，这样的原子很“冷”是结果而非原因。

这就是国际度量衡大会严格定义铯原子必须处于零下273度的原因：静止的原子排除了运动的干扰，相比于更“热”、运动速率较大的原子，其共振频率输出将更稳定，且更易被仪器捕捉。这就需要依靠特殊方法将原子减速，导致了温度的下降，达到定义中的零下273度低温。

三、如何让环境变成“最冷”？

空间冷原子钟精确计时秘诀在于“高、冷”二字：一方面得益于太空中的“微重力”环境，另一方面则因为钟自身的“冷”。

我们虽然看不见原子或分子，但里面的原子或分子都在运动，运动就会产生热，这便是热原子。冷原子技术是用激光的方法将原子温度从室温降低到接近绝对零度。对这些几乎不动的原子进行测量，结果会更加准确。

制造冷原子钟的最大难点，莫过于将目标原子速率降低至接近于零。

绝对零度可以无限接近但无法达到

出于不同的研究目的，科学家需要创造尽可能接近于绝对零度的环境，使原子在“最冷”的环境下拥有稳定的状态。这就需要从热能的定义上出发，使原子“变冷”的根本是需要通过某种方法对原子减速，当速率降至接近于零，实际上体系的温度就越接近绝对零度。

对于这一难题，华裔科学家朱棣文提出了“激光冷却和捕获原子的方法”，极大推动了冷原子物理学的发展，并以此获得了1997年诺贝尔奖。

原子由原子核和绕原子运动的电子构成。对某一个原子来说，稳定的原子核需要通过巨大的能量才能轰开，很难发射能量交换，它的电子却容易与外来的光子发生作用。当电子从低轨道跃迁到高轨道时，它需要吸收相应的能量。当特定频率的光子被原子吸收后，根据动量守恒定律，这将导致原子的速率发生变化。

原子能够被激光捕获和减速

基于这个效应，科学家设计了从六个方向入射激光的装置，针对目标原子调整激光的频率到一个合适的值，保证光子被吸收。

这样的设计的目的是：无论原子朝哪个方向运动，它总是会吸收到迎面而来的光子。这些原子就好似处在特定频率光子形成的“粘稠糖浆”中，它们向各个方向运动的速率会不断降低，直到几乎静止，从而降低整个体系的热能。这已经成为了国际上构造冷原子钟极低温环境的标准手段。

随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，正以几乎每十年提升一个数量级的速度发展。

四、超高精度授时助力多领域发展

站得高，望得远，对于卫星之间也是如此。目前的星载钟需要依靠不断与地面的冷原子钟进行对齐，才能够获得较精确的时间信息，但星地之间相对较长的距离，以及大气层和电离层的存在都会导致同步过程有所波动。

如果在星间链路本身建立一套精确授时系统，它就可以作为宇宙空间中的授时中心，将基于空间时间坐标系下的超高精度时间信息毫无干扰地传输给其他卫星。

高精度时频系统将直接对星载钟进行调校

通过“梦天”实验舱的联合校准，在形成一个太空坐标系下的时间频率网络系统后，无论是太空中的授时精度、还是面向地面的导航精度（能够从米级精确至厘米级）都能够大幅提升。

同时它还能有效支持很多基础科学的研究，例如论证爱因斯坦广义相对论、更精确地测量物理常数和遥远星系距离、监控引力波现象、寻找暗物质和暗能量的证据、探索宇宙中的引力红移现象、观察遥远星系的合并等，为我国后续的天文物理研究创造更好的条件。

结语：

我国众多太空探索计划下的卫星之间相距几百万公里，却需要在毫米级别尺度上感知到对方的发出的激光信号，这都需要极高精度的时间对准能力。而现在，我国在太空中拥有了最好的授时系统，这将支持我国在太空中多领域的研究。毫无疑问，“梦天”实验舱中的冷原子钟组将赋予宇宙探索新的想象。

参考文献：

[1]中国航天基金会. 解码梦天实验舱科学实验柜

[2]中国政府网. 中国空间站将应用自主研发的主动型原子钟

[3]科技时坛. 数十亿年误差一秒！中国造出世界首套冷原子钟组，到底有什么用？

[4]中科院物理所. 光是如何让原子冷静下来的？

[5]北斗卫星导航系统. 从古至今，授时都经历了什么？