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& 天宫二号世界最强原子钟：3000万年误差1秒
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天宫二号世界最强原子钟：3000万年误差1秒
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1秒，在手表里不过是几个齿轮的转动和“喀嚓”一响。对铯原子钟而言，这意味着次的电子跃迁振荡。
原子能级跃迁有着最稳定的频率，几乎不受温度、压强影响。《科学》杂志近日刊登了美国天体物理学联合实验研究所（JILA）叶军教授团队最新的研究成果，他们设计的原子钟频率准确度误差不超过10－18。
如果这口钟在宇宙诞生之时就存在，当它昼夜不停地走到今天，产生的误差都不到1秒。
在漫长的岁月里，人类发明了日晷，也用过需要有人日夜蹲守的水钟。直到今天，站在科学最前沿的人仍然要面对堆满一整个房间的原子钟设备，一点点调试，只为找到藏在小数点后十多个零里的差别。
这是一场没有尽头的追寻。
“将小数点往后挪一位，你就会发现新的真理”
进入一间守时铯原子钟的实验室，你需要全副武装：白大褂、口罩、头套、手套、鞋套一个都不能少，全身上下，只有一双眼睛裸露在外。然后，你还要穿越一段强风席卷的黑色走廊，让风拂去你身上细小的灰尘。
在这里，新风系统日夜满载工作，风扇的轰鸣声是唯一的背景音。空调和湿度计都是特别定制款，为了保证温度和湿度恒定在23.0℃和60％。实验室对地基的稳定性要求极高，原子钟就像初生的婴儿一般，被处处小心呵护。甭管来多大的科学家，都只能蹲在地上调试设备。
在全世界53个国家的70多个实验室，有400多个原子钟一起运转，维护着人类世界时间的稳定。国际计量局定时收集它们报送的数据，结合经过认证的少数几个国家计量院研制的基准原子钟校准，才最终产生国际原子时。
过去，人类只能利用日月星辰这类天然的“时钟”，根据它们在遥远天空上的位置大致判断时间，日出而作，日落而息。后来，人类发明了机械钟、摆钟和石英表，但一直到1967年，秒的定义都是“太阳年的7分之一”。
我们日常使用的时钟已经可以达到一年小于1秒的误差，但这显然无法让科学家满意。“将小数点往后挪一位，你就会发现新的真理。”叶军一直相信这句在美国物理学界广泛流传的话。
天文观测、量子力学的研究都离不开精准的时间，我们生活中常用的全球定位系统（GPS）也依赖它，哪怕只是慢了一眨眼的时间，都会带来数万公里的误差。
早在19世纪70年代，麦克斯韦和开尔文就提出可以利用原子能级跃迁精准地计量时间，但直到80年后，世界上第一台原子钟才问世。又经过10年发展，原子钟的精度才全面超过石英钟。
在1967年的第13届国际计量学大会上，秒的定义跨入原子时代：铯原子中电子能级跃迁周期的倍为1秒。这个标准一直沿用至今。
“除了铯原子，氢原子、汞原子、铷原子、锶原子等都被广泛用于研制原子钟。”清华大学物理系博士生程鹏飞告诉中国青年报?中青在线，“这次叶军教授团队使用的就是锶原子。理论上，它的性能可以比铯原子钟好上千倍。”
要经历重重“阻挠”，锶原子才能发出那束频率精准的光
对锶原子来说，想要发出自己的一声“滴答”可不容易。
为了发出那束频率精准的光，原子源里活蹦乱跳的它，需要将速度一步步降低到厘米每秒的量级----和树懒差不多。它们有的要经历数台激光器的“深情凝视”，有的要穿越重重电场和磁场，最终被冷却到接近绝对零度（零下273.15℃）。
为了排除其它粒子的干扰，科学家把锶原子安置在真空的环境里。在原子源里，它们被加热到500℃，变成活跃的气体，速度和子弹差不多，每秒移动500米，冲向下一个站点。
在这段征途里，科学家不仅设置了磁场，还向它们迎面射出激光。在原子的尺度上，锶原子就像闯过了一段***林弹雨，每秒钟吸收上亿个光子，它的速度也被降低到每秒50米左右。
最后，它们将滑入有着巨大粘滞力的“磁光阱”，同时被6束激光照射，并被囚禁在那里。经过几轮折腾，铯原子也变得筋疲力尽，它终于可以完成使命。
“其实原子钟的原理非常简单，难点都在技术上。”程鹏飞解释道，“什么是更好的‘冷却’原子的方法，如何让激光器稳定地运行更长时间，需要解决的问题还有太多。”他介绍，在实际操作中，锶原子钟能连续运行10小时就是“相当不错的成果”，不能有任何一个设备出问题。“增加原子数量和相干时间的能力将使这新一代原子钟完全不同于之前的版本。”叶军教授对媒体说。
在过去的锶原子钟里，锶原子都是排布在一个平面上，囚禁于磁光阱中。叶军教授团队这次则找到了一种三维的排布形式，就像由一层鸡蛋提高到几层装的一大盒鸡蛋。这样可以大幅提高信号的强度，增加稳定度。
在程鹏飞看来，更难的是隐性的干扰。很多变化是他们难以控制的，影响机理也很复杂，“没有任何理论能够解释，我们开玩笑把它叫‘玄学’。”相比之下，铯原子钟的稳定度要高得多，持续运行时间很长，摔一摔、碰一碰都行。
对一个守时钟而言，稳定性也是一个重要指标。“如果使用一会儿就要停下来，调试一下，这是肯定不行的。”程鹏飞说，铯原子钟也是目前主流的计时工具，这也有赖于过去几十年里微波器件的快速发展。
相比于锶原子钟动辄需要数十平方米的空间存放，铯原子钟体积小，两个书桌就能铺开。如果可以牺牲一些精度，它的体积能够小于***的手掌，甚至做到硬币大小。在未来某一代人的眼里，钟表也许不再意味着表盘和指针，而是由线圈构成的仪器小盒子。
科学竞赛的背后是技术和话语权之争
每当你打开一次地图，或是点一次外卖、摇一摇寻找你附近的人，太空中至少4台卫星同时向你发送信息。经过计算，你的手机得出了你目前所在的位置。
这个计算成立的基础就是这些卫星上的时钟精准无误。导航是目前对原子钟需求最旺盛的领域。此外，交通、金融、电网、计算机网络、移动通信等领域的安全运行都依靠高精度的时间频率计量。在人流密度大的区域，每隔不到500米就要设置一个手机通讯基站，其中都会有2台左右原子钟。
“在这个领域，美国等发达国家走在最前面。他们从上世纪50年代就开始研究，踩过的坑多，走过的路也更多。”程鹏飞告诉中国青年报?中青在线。时至今日，高性能原子钟仍然对我国禁运，为了防止技术泄密。
尽管美国的GPS系统能在全球每一个地方使用，各国仍然在努力打破技术垄断。欧洲一直在完善“伽利略”系统，中国的“北斗”导航系统也已经得到国际认可，并被市场接纳。
1999年印巴卡吉尔战争期间，美国就曾关闭当地的GPS服务，所有依赖GPS制导的武器瞬间“失明”，印军因此蒙受巨大损失。就连世界时一个闰秒的差别，都曾引发中、美、日、英、法等多个大国长达12年的拉锯战。
直到2014年，中国的铯原子喷泉基准钟才得到国际计量局的认可，成为继法、美、德、意、日、英、俄七国后第8个参与维护世界时的国家。这也意味着中国对国际时间从拥有“话语权”到具备了“表决权”。
中国计量科学研究院时间频率计量研究所所长方占军曾向媒体表示：“如果我们在这方面失去话语权，现有的系统就不能够独立复现秒定义，所有与此相关的科研和应用都将失去独立性。”
2016年，我国“天宫二号”空间实验室搭载了世界上首个在轨运行的空间冷原子钟。国际上对这项技术的研究最早追溯到1997年，但发射计划几经推迟，至今没能实施。在寸土寸金的空间站，体积和功耗被压缩到最低的冷原子钟将直面来自太空的考验。
科技竞赛之下，原子钟也一直刷新着科学的极限。截至目前，至少有8项获得诺贝尔物理学奖的成果直接推动了原子钟的发展。美国国家标准技术局最新的铯原子钟研究项目负责人总结说，“在原子钟诞生后的60年里，每当我们建成一台更好的钟，便会催生出一些无法预期的新应用。”
“如果能把原子钟的精度再提高几个数量级，我们就能更直接和精确地测量引力波，更准确地测量物理常数。”程鹏飞告诉中国青年报?中青在线，他也期待原子钟技术的进步推动卫星定位系统达到厘米、毫米量级的精度，“这会完全改变我们社会的生产生活方式。”
时代变化，时间计量的观察目标从宇宙星辰变成了人造卫星，仪器从六分仪变成了信号接收器，基准也从地球公转变成了原子钟，但在追求时间精度这件事上，人类从来没有满足过。未来的原子钟可能会进入原子核，以更加稳定的原子核能级跃迁振荡作频率基准。还有人畅想，如果将来我们进行星际旅行，脉冲星可以作为星际通讯中可靠的同步时钟。
“我想做大自然能够让人类做到的最精确的测量，我希望我们做的每个实验都能达到大自然最基本的极限。”叶军给自己的研究定下目标。这是物理学上探索最少的领域之一，每一项发现都有可能是革命性的。 实习生 王嘉兴　来源：中国青年报　（ 日 11 版）
跟格局小的人打交道，就像被缩骨伞夹住脑袋一样不痛快。
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告诉你一秒有多长 天宫二号上的“量天尺”
出品：科普中国制作：科学大院 中国科学院上海光学精密机械研究所监制：中国科学院计算机网络信息中心一、为什么需要提高时间测量精度在文明进步和科学技术发展的历史长河中，人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置，到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表，再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟……那么，21世纪人类社会已经步入信息爆炸时代，对时间测量精度的要求到底高到了什么地步？当前地面上投入使用的最准确的原子钟误差已经降到万亿分之一秒/天。如此高精度的计时需求，人们也许是感觉不到的，生活中，貌似一只误差百分之一秒/天的手表就足够用了。但事实上，当计时器的误差超过千分之一秒/天时，人们现在每天赖以生存的电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就都将陷入混乱；当误差超过十亿分之一秒/天时，卫星导航定位、船只远海航行、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标，而诸如开展深空探测、引力波探测、精细结构常数测量、广义相对论验证等等对时间精度要求达到极致的科学研究活动就更不要提了。正因如此，全世界数十个实验室就建立了几百台高精度原子钟，它们共同组成了世界通用标准时间系统，该系统由国际计量局负责保持，通过网络、***、长波、短波、电视等各种通信手段为大众提供授时服务。其中，卫星导航系统已成为高精度授时服务的主要手段。目前，制约卫星导航系统精度的主要因素是星载原子钟的精度和大气层对空地信号同步比对过程的影响，因此，发展空间超高精度原子钟，提高空间计量守时精度，对全球导航定位系统、基础物理研究、深空探测等方面都具有非常重大的应用价值。二、什么是原子钟原子钟是科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出的比晶体钟更高精度的计时装置。1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义：“1秒为铯原子(133Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的个周期所持续的时间”。自从有了原子钟，人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展，20世纪末达到了10－14量级，即误差约为百亿分之一秒/天，在此基础上建立的全球定位导航系统（例如美国GPS、中国的北斗），覆盖了地球98%的表面，将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。近30年间，随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子而制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟精度已经达到了10－1 6量级，误差小于万亿分之一秒/天，而更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。总而言之，原子钟的发展使“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量，通过各种物理转化，可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。三、空间冷原子钟与地面冷原子钟有何不同在地面上，由于受到重力的作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动，这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息，从而可以获得更高精度的原子钟信号。可以预期，空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。最近，中科院上海光机所的科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，发展出空间超高精度冷原子钟，研制的“空间冷原子钟”实验样机计划于2016年9月搭载天宫二号发射升空，这将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”，有望在空间轨道上获得较地面上的线宽窄一个数量级的原子钟谱线，从而提高目前空间原子钟的精度，这将是原子钟发展史上又一个重大突破。四、“空间冷原子钟”上天：究竟要做啥？空间冷原子钟“空间冷原子钟”将在轨开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、原子慢速抛射、超冷原子与微波相互作用、冷原子钟信号产生与传递、高精度光电自动时序控制等前沿科学实验。这是人类首次在太空中开展这些实验，可以为未来在超高精度时间基准有重大需求的空间科学实验和工程应用等的开展奠定基础。空间冷原子钟由物理单元、微波单元、光学单元和控制单元组成，每个单元都有非常高的技术指标，其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度（μK量级）的超冷原子团，然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向慢速抛射，而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速均速直线运动。而处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔，与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态，通过测出处于两种量子态上的原子数比例，获得原子跃迁几率，改变微波频率可以获得原子钟的信号谱线－Ramsey条纹。预计微重力环境下所获得的Ramsey中心谱线线宽可达0.1 Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得超高精度的时间频率标准信号。空间冷原子钟工作原理图五、“空间冷原子钟”的好处空间冷原子钟本身具有极高的精度，同时在太空中对其它卫星上的星载原子钟又可以进行无干扰的时间信号传递和校准，避免了大气和电离层多变状态的影响，从而使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。空间冷原子钟应用于全球导航空位系统示意图空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础，并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。空间冷原子钟的应用前景示意图“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
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