人類計(jì)時(shí)器的“天花板”，數(shù)十億年只誤差1秒！揭秘太空中最精準(zhǔn)的鐘

去年十月，隨著“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射升空并順利完成交會(huì)對(duì)接和轉(zhuǎn)位，中國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。隨后，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜陸續(xù)加電開機(jī)，開始在軌測(cè)試。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙是中國(guó)空間站中承擔(dān)精密物理實(shí)驗(yàn)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)艙。我們知道，越精密的物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)時(shí)間精度的要求就越高。為此，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙搭載了世界上第一套空間冷原子鐘組，這也是太空中最精準(zhǔn)的時(shí)間頻率系統(tǒng)，其精準(zhǔn)度可達(dá)到約50億年誤差1秒！

原子鐘究竟是怎樣的鐘？它為什么可以提供這么精確的時(shí)間呢？接下來，讓我們一起來了解原子鐘的原理和應(yīng)用吧！

原子鐘的大作用

隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)石英鐘（原子鐘發(fā)明前最精確的計(jì)時(shí)器）的精度不足以支撐科學(xué)研究的需要。現(xiàn)代物理學(xué)的支柱是相對(duì)論和量子力學(xué)，在宏觀尺度下，它們與牛頓力學(xué)的結(jié)論幾乎無差。也就是說，我們?cè)诤暧^世界里感知不到牛頓力學(xué)和相對(duì)論、量子力學(xué)的區(qū)別。然而，相對(duì)論與牛頓力學(xué)的差異在小數(shù)點(diǎn)后15 位就顯現(xiàn)出來了，這依靠石英鐘是根本測(cè)不出來的。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，引力會(huì)扭曲空間和時(shí)間，也會(huì)導(dǎo)致時(shí)間膨脹。按照這一理論，珠穆朗瑪峰頂部的時(shí)間要比海平面的時(shí)間平均8 萬多年快1 秒。這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了石英鐘的測(cè)量精度。

我們都知道，中國(guó)自行研制了“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航的定位，是依靠電磁波傳輸信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。電磁波在真空中傳播的速度約為3×108 米/ 秒，這個(gè)速度乘以信號(hào)傳播的時(shí)間，就是信號(hào)所走的路程。由于這速度實(shí)在是太快了，授時(shí)鐘1 秒的誤差都將導(dǎo)致地面定位30萬千米的偏差！因此，對(duì)于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來說，要想提供足夠精準(zhǔn)的導(dǎo)航服務(wù)，就要有足夠精準(zhǔn)的鐘。我們要介紹的原子鐘，正能實(shí)現(xiàn)這種高精度的計(jì)時(shí)，它也就成為全球衛(wèi)星定位的制高點(diǎn)技術(shù)。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙裝載的高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜（一）

“秒”的定義

想了解原子鐘的計(jì)時(shí)原理，就要先了解時(shí)間單位“秒”的定義?，F(xiàn)行國(guó)際單位制使用的是在1967 年召開的第13 屆國(guó)際度量衡大會(huì)上對(duì)“秒”的定義，即銫-133 原子非擾動(dòng)基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷時(shí)所輻射的電磁波周期的9 192 631 770 倍的時(shí)間。

我們知道，物質(zhì)的基本組成單位是原子，原子又是由原子核和電子組成的。依據(jù)波爾模型，原子中的電子繞原子核運(yùn)動(dòng)，且只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這就是“能級(jí)”。電子可以在不同的軌道間發(fā)生躍遷，電子吸收了特定頻率的電磁波，可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，也可以輻射出特定頻率的電磁波。躍遷過程中，電子吸收或輻射出的電磁波的頻率，與躍遷能級(jí)間的能級(jí)差是一一對(duì)應(yīng)的，所以銫-133 原子非擾動(dòng)基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷時(shí)所輻射的電磁波的頻率和周期也是固定的。物理學(xué)家規(guī)定，這種固定周期的9 192 631 770 倍的時(shí)間就是“秒”。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙裝載的高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜（二）

原子鐘的原理

知道了“秒”的定義之后，原子鐘的原理就更容易理解了。

大家都使用過收音機(jī)吧，原子鐘的工作原理其實(shí)就和大家使用收音機(jī)的過程一樣。假設(shè)我們想收聽一個(gè)頻率為100MHz 的電臺(tái)，我們要先將頻率調(diào)到100MHz左右。當(dāng)頻率接近100MHz 的時(shí)候，收音機(jī)里就會(huì)傳來一些模糊的聲音。如果此前的頻率小于100MHz，那我們?cè)趯㈩l率調(diào)大的過程中就能發(fā)現(xiàn)接收到的聲音越來越清晰了；如果此前的頻率大于100MHz，那我們?cè)趯㈩l率調(diào)小的過程中也能發(fā)現(xiàn)接收到的聲音越來越清晰了。在調(diào)大、調(diào)小的過程中調(diào)制的頻率越來越接近100MHz，當(dāng)接收到的聲音最清晰時(shí)，那個(gè)頻率就剛剛好是我們想要的100MHz。

在原子鐘里，也有一個(gè)類似調(diào)頻的過程。首先，我們利用第一個(gè)選態(tài)磁鐵，從大量處于兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的銫原子中篩選出處于較低能級(jí)的那部分。接著，這些原子在準(zhǔn)直器的作用下，形成原子束，彼此之間沒有碰撞地通過微波諧振腔。微波諧振腔會(huì)輻射頻率接近9 192 631 770Hz 的電磁波，在電磁波的作用下，通過微波諧振腔的部分原子將從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)。當(dāng)原子通過微波諧振腔后，第二個(gè)選態(tài)磁鐵會(huì)將高能級(jí)的原子和低能級(jí)的原子分開，檢測(cè)器會(huì)檢測(cè)出高能級(jí)的原子數(shù)。微波諧振腔中電磁波的頻率越接近9 192 631 770Hz，躍遷至高能級(jí)的原子就越多，檢測(cè)器檢測(cè)到的高能級(jí)的原子數(shù)就越多。當(dāng)檢測(cè)到處于高能級(jí)的原子數(shù)達(dá)到最多的時(shí)候，微波諧振腔中電磁波的頻率就正好是9 192 631 770Hz，我們就可以把控制微波諧振腔的時(shí)頻信號(hào)作為我們計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。

原子鐘就像是物理學(xué)家手中的收音機(jī)一樣，大家要是能理解收音機(jī)的原理，就一定能理解原子鐘的原理。

原子在兩個(gè)能級(jí)間躍遷

它為什么是最精密的計(jì)時(shí)裝置

為什么原子鐘能做到約50 億年只誤差1 秒呢？這就要從計(jì)時(shí)的原理說起了。

計(jì)時(shí)就是測(cè)量某種周期運(yùn)動(dòng)發(fā)生的次數(shù)，時(shí)間單位就是對(duì)特定周期運(yùn)動(dòng)發(fā)生次數(shù)的一種規(guī)范。古人把一根棍子插在地上，觀察日出到日落棍影位置的周期變化，然后根據(jù)一天中影子的不同位置來標(biāo)記一天中的時(shí)間，這種鐘表就叫作“日晷”。在計(jì)時(shí)技術(shù)的發(fā)展過程中，人們還用流水和流沙來測(cè)量流逝的時(shí)間，造出了水鐘和沙漏。日晷、水鐘和沙漏的運(yùn)動(dòng)周期都是不穩(wěn)定的，受季節(jié)、溫度、摩擦力等因素的影響很大。這導(dǎo)致周期運(yùn)動(dòng)的周期和頻率不確定，計(jì)時(shí)自然也就不準(zhǔn)確。后來，人們發(fā)明了更穩(wěn)定的機(jī)械鐘表，它們受摩擦力等因素影響較小，并且由于它們的運(yùn)動(dòng)頻率很大，這種誤差就被大大縮小了。一個(gè)1 小時(shí)運(yùn)動(dòng)1 萬次的機(jī)械鐘表，會(huì)計(jì)機(jī)械鐘表周期運(yùn)動(dòng)1 萬次的時(shí)間為1 小時(shí)。也就是說，如果計(jì)數(shù)時(shí)少計(jì)了1 次，那么計(jì)時(shí)上只會(huì)慢一萬分之一小時(shí)?，F(xiàn)在較好的機(jī)械鐘表，在一天中運(yùn)行的誤差也就在十幾秒。

后來，人們又制作出了更加精準(zhǔn)的石英鐘。石英鐘依托的是石英晶體在電流作用下的振蕩周期運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)在1 秒鐘內(nèi)可以發(fā)生32 768次。相比于機(jī)械鐘表，石英鐘的周期更為穩(wěn)定，計(jì)時(shí)也更加準(zhǔn)確。普通的石英鐘運(yùn)行一天，誤差都不會(huì)超過2 秒。

石英鐘之后，原子鐘也被發(fā)明出來了。原子鐘依托的是原子在能級(jí)間躍遷發(fā)射出的電磁波的周期運(yùn)動(dòng)，這種周期運(yùn)動(dòng)的頻率非常穩(wěn)定，不會(huì)因受到外界的影響而發(fā)生變化，是最適合用于計(jì)時(shí)的周期運(yùn)動(dòng)。在1秒鐘內(nèi)，銫原子鐘可以運(yùn)動(dòng)91 億次，鍶原子鐘可以運(yùn)動(dòng)430 萬億次，鐿原子鐘可以運(yùn)動(dòng)518 萬億次。因此，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙中的空間冷原子鐘組的精度才可以達(dá)到約50 億年誤差1 秒！

綜上所述，原子鐘這么精確的原因大致可以分為兩點(diǎn)：一是周期運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，原子鐘之外的周期運(yùn)動(dòng)都很容易受到外界因素的影響；二是周期運(yùn)動(dòng)的頻率高，原子鐘在1 秒內(nèi)可以發(fā)生的周期運(yùn)動(dòng)都是數(shù)以億計(jì)的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他計(jì)時(shí)器的周期運(yùn)動(dòng)。

文/南京信息工程大學(xué)教授、博導(dǎo)劉玉柱 南京信息工程大學(xué) 翟若宇