揭秘太空里最精準的鐘

劉玉柱

隨著“夢天”實驗艙成功發射升空并順利完成交會對接和轉位，中國空間站“T”字基本構型在軌組裝完成。隨后，“夢天”實驗艙的8個科學實驗柜陸續加電開機，開始在軌測試。

“夢天”實驗艙是中國空間站中承擔精密物理實驗任務的實驗艙。我們知道，越精密的物理實驗，對時間精度的要求就越高。為此，“夢天”實驗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的時間頻率系統，其精準度可達到約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間呢？接下來，讓我們一起來了解原子鐘的原理和應用吧！

原子鐘的大作用

隨著科學的進步，人們發現石英鐘（原子鐘發明前最精確的計時器）的精度不足以支撐科學研究的需要。現代物理學的支柱是相對論和量子力學，在宏觀尺度下，它們與牛頓力學的結論幾乎無差。也就是說，我們在宏觀世界里感知不到牛頓力學和相對論、量子力學的區別。然而，相對論與牛頓力學的差異在小數點后15位就顯現出來了，這依靠石英鐘是根本測不出來的。根據愛因斯坦的廣義相對論，引力會扭曲空間和時間，也會導致時間膨脹。按照這一理論，珠穆朗瑪峰頂部的時間要比海平面的時間平均8萬多年快1秒。這已經遠遠超過了石英鐘的測量精度。

我們都知道，中國自行研制了“北斗”衛星導航系統，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。衛星導航的定位，是依靠電磁波傳輸信號來實現的。電磁波在真空中傳播的速度約為3×108米/秒，這個速度乘以信號傳播的時間，就是信號所走的路程。由于這速度實在是太快了，授時鐘1秒的誤差都將導致地面定位30萬千米的偏差！因此，對于全球衛星定位系統來說，要想提供足夠精準的導航服務，就要有足夠精準的鐘。我們要介紹的原子鐘，正能實現這種高精度的計時，它也就成為全球衛星定位的制高點技術。

“秒”的定義

想了解原子鐘的計時原理，就要先了解時間單位“秒”的定義。現行國際單位制使用的是在1967年召開的第13屆國際度量衡大會上對“秒”的定義，即銫-133原子非擾動基態的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波周期的9192631770倍的時間。

我們知道，物質的基本組成單位是原子，原子又是由原子核和電子組成的。依據波爾模型，原子中的電子繞原子核運動，且只能在特定的、分立的軌道上運動，各個軌道上的電子具有分立的能量，這就是“能級”。電子可以在不同的軌道間發生躍遷，電子吸收了特定頻率的電磁波，可以從低能級躍遷到高能級；電子從高能級躍遷到低能級，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，與躍遷能級間的能級差是一一對應的，所以銫-133原子非擾動基態的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波的頻率和周期也是固定的。物理學家規定，這種固定周期的9192631770倍的時間就是“秒”。

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吧，原子鐘的工作原理其實就和大家使用收音機的過程一樣。假設我們想收聽一個頻率為100MHz的電臺，我們要先將頻率調到100MHz左右。當頻率接近100MHz的時候，收音機里就會傳來一些模糊的聲音。如果此前的頻率小于100MHz，那我們在將頻率調大的過程中就能發現接收到的聲音越來越清晰了；如果此前的頻率大于100MHz，那我們在將頻率調小的過程中也能發現接收到的聲音越來越清晰了。在調大、調小的過程中調制的頻率越來越接近100MHz，當接收到的聲音最清晰時，那個頻率就剛剛好是我們想要的100MHz。

在原子鐘里，也有一個類似調頻的過程。首先，我們利用第一個選態磁鐵，從大量處于兩個超精細能級的銫原子中篩選出處于較低能級的那部分。接著，這些原子在準直器的作用下，形成原子束，彼此之間沒有碰撞地通過微波諧振腔。微波諧振腔會輻射頻率接近9192631770Hz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躍遷至高能級。當原子通過微波諧振腔后，第二個選態磁鐵會將高能級的原子和低能級的原子分開，檢測器會檢測出高能級的原子數。微波諧振腔中電磁波的頻率越接近9192631770Hz，躍遷至高能級的原子就越多，檢測器檢測到的高能級的原子數就越多。當檢測到處于高能級的原子數達到最多的時候，微波諧振腔中電磁波的頻率就正好是9192631770Hz，我們就可以把控制微波諧振腔的時頻信號作為我們計時的標準。

原子鐘就像是物理學家手中的收音機一樣，大家要是能理解收音機的原理，就一定能理解原子鐘的原理。

它為什么是最精密的計時裝置

為什么原子鐘能做到約50億年只誤差1秒呢？這就要從計時的原理說起了。

計時就是測量某種周期運動發生的次數，時間單位就是對特定周期運動發生次數的一種規范。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，然后根據一天中影子的不同位置來標記一天中的時間，這種鐘表就叫作“日晷”。在計時技術的發展過程中，人們還用流水和流沙來測量流逝的時間，造出了水鐘和沙漏。日晷、水鐘和沙漏的運動周期都是不穩定的，受季節、溫度、摩擦力等因素的影響很大。這導致周期運動的周期和頻率不確定，計時自然也就不準確。后來，人們發明了更穩定的機械鐘表，它們受摩擦力等因素影響較小，并且由于它們的運動頻率很大，這種誤差就被大大縮小了。一個1小時運動1萬次的機械鐘表，會計機械鐘表周期運動1萬次的時間為1小時。也就是說，如果計數時少計了1次，那么計時上只會慢一萬分之一小時。現在較好的機械鐘表，在一天中運行的誤差也就在十幾秒。

后來，人們又制作出了更加精準的石英鐘。石英鐘依托的是石英晶體在電流作用下的振蕩周期運動，這種運動在1秒鐘內可以發生32768次。相比于機械鐘表，石英鐘的周期更為穩定，計時也更加準確。普通的石英鐘運行一天，誤差都不會超過2秒。

石英鐘之后，原子鐘也被發明出來了。原子鐘依托的是原子在能級間躍遷發射出的電磁波的周期運動，這種周期運動的頻率非常穩定，不會因受到外界的影響而發生變化，是最適合用于計時的周期運動。在1秒鐘內，銫原子鐘可以運動91億次，鍶原子鐘可以運動430萬億次，鐿原子鐘可以運動518萬億次。因此，“夢天”實驗艙中的空間冷原子鐘組的精度才可以達到約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：一是周期運動的穩定性，原子鐘之外的周期運動都很容易受到外界因素的影響；二是周期運動的頻率高，原子鐘在1秒內可以發生的周期運動都是數以億計的，遠遠超過其他計時器的周期運動。

物理小知識

1.“夢天”實驗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的時間頻率系統，其精準度可達到約50億年誤差1秒。

2.電磁波在真空中的傳播速度為299792458米/秒，近似為3×108米/秒。

3.第13屆國際度量衡大會上對“秒”的定義：1秒是銫-133原子非擾動基態的兩個超精細能級之間躍遷時所輻射的電磁波周期的9192631770倍時間。

4.電子吸收特定頻率的電磁波可以從低能級躍遷到高能級，電子從高能級躍遷到低能級也可以輻射出特定頻率的電磁波。

5.周期運動越穩定、頻率越高的原子鐘越精確。