人類計時器天花板3500萬年誤差僅為一秒鐘

精準地計量時間，遠比我們想象中要重要得多。如果一天的計時誤差超過千分之一秒，那么通信網絡、交通、金融系統就會陷入混亂；如果一天的計時誤差超過十萬分之一秒，那么導航定位系統就無法實現準確定位。像北斗衛星導航系統這樣的國之重器到底是靠什么來精密地計量時間呢？答案就是原子鐘。

近期，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員梅剛華帶領團隊研制出新款銣原子鐘，測得秒級頻率穩定度為9E-14（1E-14為百萬億分之一），百秒級頻率穩定度為9E-15。這是目前國際上最高的銣原子鐘短期穩定度指標。相關成果發表于國際期刊《電氣與電子工程師學會儀器與測量匯刊》。

揭秘原子鐘

從古至今，時間計量工具一直隨著科技的發展在不斷更新。從日晷和沙漏，再到機械鐘、石英鐘，時間計量的精準度，代表著每個時代科技的最高水平。而早在20世紀30年代，美國物理學家伊西多·拉比就提出了原子鐘的概念。這一概念提出不久后，世界上第一臺原子鐘在美國面世。隨后，美國、蘇聯、英國等國又發明了更為精準的原子鐘。

那么，原子鐘到底是什么？事實上，原子鐘是利用量子特性發明的時鐘，它既沒有指針也沒有齒輪，有的長得就像一個大桶，有的像一個盒子。它的任務是提供“秒”這個時間單位的準確計量，卻不能直接顯示鐘點。1967年，在第十三屆國際計量大會上，人們用銫原子躍遷的9192631770個周期定為1秒。此后，原子鐘便成了世界上通行的精準計時工具。

為什么原子鐘被稱為導航衛星的“心臟”呢？事實上，對于導航衛星的運行，天地間時間越同步，誤差越小，定位的精度就越高。若時間誤差達到整整1秒，測距誤差將達到30萬公里。而原子鐘的失靈對于導航衛星來說堪稱滅頂之災。2016年，印度第一顆導航衛星里的3臺計量時間的鐘相繼失效，導致印度導航系統無法正常運行。而歐洲的伽利略衛星導航系統此前在軌運行的衛星中，也曾一度出現時間鐘故障，導致長達一周無法給用戶提供導航服務。由此看來，原子鐘對于導航衛星的運行至關重要。

北斗導航衛星的高精度銣鐘

20世紀90年代，我國的北斗衛星導航系統工程立項。核心技術難點就在于原子鐘的研發。特別是星載銣原子鐘的研發，更是擺在我國科研人員面前的一大難題。

銣原子鐘具備體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長且制造成本低等優勢，是目前應用最廣的原子鐘，在衛星導航、通信、電力、金融等領域均有應用。據航天科技集團五院西安分院銣鐘產品責任人屈勇晟介紹，銣鐘的穩定度直接關乎導航衛星的定位、測速和授時功能的精度，銣鐘的質量和可靠性直接決定著導航衛星的成敗，是北斗衛星上十分關鍵的載荷產品。

當時，掌握星載銣原子鐘技術的國家只有美國和瑞士。在這一背景下，1997年梅剛華帶領團隊開始致力于銣原子鐘的研究，先后研制出三代具有完整自主知識產權的星載銣原子鐘，批量裝備于北斗導航衛星。值得一提的是，他和團隊于2006年研制成功的第三代星載銣原子鐘，秒穩定度為7E-13，創造了當時銣原子鐘頻率穩定度的國際紀錄。

2020年，我國新一代北斗三號全球衛星導航系統正式開通。北斗三號衛星上采用了我國自主可控的更高穩定度、更精準的新型銣原子鐘和氫原子鐘，實現了衛星時頻基準性能的大幅提高。

如今，梅剛華團隊研制的新型銣原子鐘，秒級頻率穩定度指標再次刷新國際紀錄。他表示，此次技術突破，有助于發展高品質微波振蕩器技術和研制新一代北斗系統星載原子鐘。

可以預見的是，在越來越精準的原子鐘支撐下，我們也必將實現更精確的定位，北斗衛星導航系統也將運行得更加穩定。

（文章轉載自“我是科學人”微信公眾平臺）