揭秘“時間魔盒”原子鐘

朱璽

對未知的向往，使人類從未停止對時間頻率測量精度的追求，原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。

時間是什么？時鐘會告訴我們時間，它是我們生活不可或缺的一部分。

當(dāng)人類意識到時間的流逝，便開始利用周期性現(xiàn)象對時間進行追蹤。遠(yuǎn)古時期，人類通過草木枯榮判定季節(jié)，通過觀察太陽、月亮在天空中的運動來判斷時間，日出而作，日落而息。后來，人們探索出了通過滴水來計時的水鐘，流沙計時的沙漏等。二戰(zhàn)后，美國國家物理實驗室研制出了世界上第一臺原子鐘，代表了人類一個歷史性的跨越。1967年，秒長的定義溯源到了原子上。此后，各種原子鐘相繼問世，成了目前世界上最準(zhǔn)確的計時工具，實用性也越來越高。

原子鐘其實離人們?nèi)粘Ｉ詈芙＠纾隅娫谛l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著“心臟”般的作用。當(dāng)我們拿出手機打開導(dǎo)航軟件，能夠看到自己的地理位置，輸入目的地，導(dǎo)航軟件能夠規(guī)劃路線，且實時告訴我們需要向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)。這是如何做到的呢？

我們先來看一下衛(wèi)星導(dǎo)航與定位的原理。在三維空間中，建立坐標(biāo)系，當(dāng)已知3個點的坐標(biāo)以及第四個未知點分別與已知點之間的距離，那么未知點的坐標(biāo)就可以被確定。同理，當(dāng)我們在地球上仰望天空，至少能夠同時看到3顆衛(wèi)星，衛(wèi)星飛行在自己的軌道上，它的運行軌跡被編入星歷，同時接收3顆衛(wèi)星發(fā)來的星歷，經(jīng)過解算，可以知道衛(wèi)星的位置。此外，還需要知道我們與衛(wèi)星之間的距離。距離等于速度乘以時間，光傳播速度是每秒30萬公里，所以只需要知道信號傳播時間就可以了。

此時，我們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)航定位的關(guān)鍵便是時間的測量。

這就需要原子鐘隆重登場了，每顆衛(wèi)星及地面站里都配備了一組原子鐘，時間信號隨星歷一同發(fā)送，在解算衛(wèi)星位置的過程中，也能夠同時得到時間信息以及距離。這樣，我們的位置便可以被計算出來。

日常生活中的手機等電子產(chǎn)品，通常內(nèi)置導(dǎo)航模塊，能夠?qū)崟r接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并依據(jù)一定的算法進行解算。于是，便有了我們對自身位置的實時掌控。如果原子鐘提供的時間誤差在1微秒，那么定位誤差將高達300米。如果要達到米量級的導(dǎo)航，在不考慮其他誤差因素的情況下，原子鐘提供的時間誤差需保持在3納秒。

時間的精密測量決定了導(dǎo)航定位的精度，如果沒有原子鐘，就無法實現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)航了。

原子鐘究竟有多準(zhǔn)呢？拿機械手表、石英鐘對比一下。當(dāng)我們帶著機械手表開著車，繞北京四環(huán)跑1圈，大概1個小時，機械手表就偏差了1秒;對于石英鐘來說，偏差1秒差不多需要270年;而原子鐘偏差1秒需要多久呢，3000萬年！假如我們送給地球上最后一只霸王龍一臺原子鐘，那么到今天，這臺原子鐘只偏差了2秒。

浩瀚宇宙中藏著未知的秘密，我們渴望知道黑洞里面是什么樣子，我們渴望看到引力波的痕跡，我們也渴望與地球外的生物對話，這些對未知的向往，使人類從未停止對時間頻率測量精度的追求，原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。（作者系中國航天科工二院203所設(shè)計師）

摘編自搜狐網(wǎng)