“天宮二號”里的空間冷原子鐘

中國科學院上海光學精密機械研究所

從日晷到冷原子鐘

在人類文明進步和科學技術發展的歷史長河中，人類活動所帶來的社會需求與時間測量的精度是密不可分的。很久很久以前，我們的祖先記錄時問是利用天體的周期性運動。他們日出而作，日落而息，通過觀察自然現象，例如太陽和月亮相對自己的位置來模糊地定義時間，這樣的時間被稱為自然鐘。

后來，人們逐漸發明了日晷、水鐘、沙漏等計時裝置，能夠指示時間按等量間隔流逝，這也標志著人造時鐘開始出現。

而當鐘擺等可長時間反復周期運動的振蕩器出現后，人們把任何能產生固定振蕩頻率的裝置，統稱為時間頻率標準，并以此為基礎發明了真正可持續運轉的時鐘。

從14世紀到19世紀中葉的500年問，人們首先采用古老的擺輪鐘代替了自然鐘（誤差約為1刻鐘/天），然后在鐘擺裝置的基礎上逐漸發展出日益精密的機械鐘表（誤差約為1秒/年）。

從20世紀30年代開始，小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘，成為人們日常生活中所使用的主要計時裝置。

總而言之，“時間”已成為現代科學技術中測量準確度最高的基本物理量。人類通過不斷提高影響時間測量精度的長度、磁場、電場、溫度等其它基本物理量的測量精度，從而不斷提高時間測量精準度。

20世紀40年代開始，科學家們利用原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率這一特點，發展出比晶體鐘更高精度的原子鐘。

自從有了原子鐘，人類計時的精度以幾乎每10年提高一個數量級的速度飛速發展。到20世紀末，計時誤差約為1秒/300萬年，在此基礎上建立的全球定位導航系統（例如美國的GPS），覆蓋了整個地球98%的表而，將原子鐘的信號廣泛地應用到人類活動的各個領域。

隨著激光冷卻原子技術的發展，利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高。到目前為止，地而上精確度最高的冷原子噴泉鐘誤差已經減小到1秒/3億年，更高精度的冷原子光鐘也在飛速發展中。

空間冷原子鐘向更高精度進發

近年來，科學家們將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合，有望在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個數量級的原子鐘譜線，從而進一步提高原子鐘精度，這將是原子鐘發展史上又一個重大突破。

科學家們經過近10年的艱苦努力，2016年，中國第一臺空間冷原子鐘正樣產品研制成功，由“天宮二號”空間實驗室搭載進入太空，成為國際上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時頻系統、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術基礎，并且在全球衛星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。

我們相信，人類的活動范圍沒有極限，對時間測量標準的要求也就沒有極限！