車門關(guān)閉的前一秒擠進(jìn)地鐵、鈴聲響起的第一秒停筆交卷……日常生活中的“一秒”往往普通得毫不起眼，只在某些“特別”時(shí)刻才凸顯出自己的存在感。但在科學(xué)領(lǐng)域，“一秒”不僅是時(shí)間的衡量尺度，更承擔(dān)著“失之毫厘謬以千里”的重要責(zé)任。

近日，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室搭載的世界首臺(tái)太空運(yùn)行的冷原子鐘，在軌近兩年時(shí)間里完成了全部既定測(cè)試任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了3000萬(wàn)年誤差小于1秒的預(yù)定目標(biāo)，將目前人類在太空的時(shí)間計(jì)量精度提高了1至2個(gè)數(shù)量級(jí)，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。

“過(guò)去20年里，有很多人努力要把冷原子鐘送到太空，但最終，是由中國(guó)第一次展示了空間冷原子鐘的實(shí)驗(yàn)……”這一重要科研成果已作為亮點(diǎn)文章線發(fā)表于國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

“鐘”也有冷熱之分？

假設(shè)你一分鐘穩(wěn)定吸氣30次，那么你可以通過(guò)測(cè)量?jī)纱螝饬髁鲃?dòng)來(lái)確定時(shí)間間隔，并做出定義（2秒），以穩(wěn)定的頻率對(duì)應(yīng)穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)，便是“鐘”的工作原理。但實(shí)際上，“穩(wěn)定”并不是輕易能夠達(dá)到的理想條件。

從最初的日晷、鐘擺，到石英鐘，再到原子鐘，為了減小1秒的誤差，科學(xué)家在不斷追求更穩(wěn)定的頻率。

原子鐘是利用原子振蕩頻率來(lái)確定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。原子由原子核與外層電子組成，原子核帶正電，帶負(fù)電的電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)。每個(gè)元素中的電子與原子核的距離不同，但只能處于一個(gè)特定的能級(jí)或“軌道”。當(dāng)電子吸收能量時(shí)，它們會(huì)躍遷到更高的能量狀態(tài)（將其看成是遠(yuǎn)離原子核）；當(dāng)電子釋放能量時(shí)，它們會(huì)躍遷到較低能量狀態(tài)（將其看成是接近原子核），損失的能量作為電磁輻射（微波、光波等）被釋放出來(lái)。能量狀態(tài)之間的這種躍遷就是原子鐘要測(cè)量的“振蕩”。

原子對(duì)頻率誤差的鑒別能力取決于頻率躍遷譜線的寬度，一般而言，譜線越窄，原子鐘的精度越高。“但常溫下的原子處于劇烈運(yùn)動(dòng)中，提取和觀察會(huì)受原子熱運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生局限。”中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱上海光機(jī)所）屈求智副研究員解釋道。“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。”

事實(shí)證明，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，空間冷原子鐘將時(shí)間測(cè)量精度提升了10倍。

有了它可開展更多太空實(shí)驗(yàn)

地球環(huán)境下，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)必然受限于重力加速度，因而很難獲得更窄的譜線。那么，何不將場(chǎng)景置換到太空？

“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，科學(xué)家們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。”屈求智副研究員精準(zhǔn)總結(jié)了其中的技術(shù)支撐。這是原子鐘和時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)展歷史上的重要突破。

空間冷原子鐘便是將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合，讓原子鐘向更高精度進(jìn)發(fā)。

它可以在太空中對(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。

然而，在存在地球輻射帶干擾以及復(fù)雜的空間環(huán)境下，穩(wěn)定運(yùn)行一臺(tái)精密的空間冷原子鐘具有極大挑戰(zhàn)：微重力環(huán)境下運(yùn)行的冷原子鐘物理系統(tǒng)、長(zhǎng)期自主運(yùn)行的冷原子制備與操控激光光學(xué)系統(tǒng)、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源……獨(dú)自行走在科創(chuàng)道路上，上海光機(jī)所的研發(fā)團(tuán)隊(duì)讓自己達(dá)到彼此角色轉(zhuǎn)換的要求，同心協(xié)力地把科研目標(biāo)變成工程目標(biāo)，一個(gè)一個(gè)地去實(shí)現(xiàn)。

放眼國(guó)際，主要發(fā)達(dá)國(guó)家都在進(jìn)行空間冷原子鐘的戰(zhàn)略布局，如歐空局的aces計(jì)劃，在國(guó)際空間站運(yùn)行一臺(tái)以冷原子銫鐘為核心的高精度時(shí)頻系統(tǒng)，擬在2020年左右發(fā)射；美國(guó)曾經(jīng)開展的parcs（空間冷原子銫鐘）、sumo（超導(dǎo)振蕩器）、race（空間冷原子銣鐘）等研究計(jì)劃，利用冷原子開展空間科學(xué)研究更是目前國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

在空間冷原子鐘的研制方面，我們雖然搶得了先機(jī)，但是這場(chǎng)競(jìng)賽也才剛剛開始……

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