冷原子钟：是卫星的“腹黑”、导弹的“眼睛”

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导语：客岁10月万众小心的“梦天”实验舱告捷辐照，“梦天”搭载了宇宙首套空间冷原子钟组。它的精确度高得惊东谈主，不错在数亿年时刻里限度谬误在1秒以内，告捷冲破了宇宙记录。它到底是如何责任的？时刻和定位精度之间如何会有关系？

一、“梦天”空间冷原子钟组宇宙最准

如今导弹的制导，很少能绕开同样东西——卫星定位。按北斗工程总联想师孙家栋院士的说法：作念不出原子钟，“北斗”系统就建不可。

“北斗”系统定位的中枢旨趣是诳骗多个卫星组网并狡计距离（由信号接受时刻差乘以电磁波的光速取得）来细目物体在地球上的位置，这种算法的精度主要取决于授时精度和卫星之间的时刻对皆进程。

空间原子钟被誉为导航卫星的“腹黑”，平直决定了导航定位精度。它能为导航系统提供具备超高暴露性的时刻频率基准信号，更好地细目互相之间的距离，平直决定了导航系统的定位、测速和授时精度。导航系统的精度究竟能达到米级、分米级、照旧厘米级，很猛进程上依赖于空间原子钟的性能。

算作“玉阙”空间站的二号实验舱，“梦天”实验舱要由8个实验柜组成。算作空间站中最复杂的实验柜，高精度时频实验柜里，领有宇宙第一套由主动氢原子钟、冷原子铷钟、冷原子光钟组成的空间高精度时频系统，是天际中首个最高精度的时刻频率系统——不错在五十亿年时刻里将谬误限度在一秒以内。

整套空间高精度时频系统由一台氢钟、一台铷钟和一台锶钟组成，分散由航天科工集团二院203所、中科院上海光机所、中科院武汉物理与数学谈论所研制，被共同固定在两个雪柜大小的框架中。

原子钟组里的氢钟是一种主动型氢原子钟，精度达到数百万年谬误一秒，肖似居品还是被平日应用于我国已辐照的卫星中，算作校准的参考对象；

铷钟则是一种冷原子喷泉钟，通过激光将原子冷却后，再诳骗微波引发铷原子的能级跃迁进行计数，精度达到三千万年谬误一秒；

最精确的莫过于锶钟，它亦然我国初度辐照上天的光钟，它通过可见光引发锶原子的能级跃迁进行计数，精度高达数十亿年谬误一秒度高达数十亿年谬误一秒。

将不同类型的冷原子钟组合在沿路，形成一个冷原子钟组。冷原子钟组不错终了不同频率之间的退换和比较，从而提高举座系统的暴露性和可靠性。辐照到天际中后，这三台“又高又冷”的钟不错零丁责任并互比拟较读数，从而畴昔所未有的精确度测量时刻，以至还是跨越了大地上最为先进的单台冷原子钟。

二、冷原子钟是如何计时的？

算作一种更精确的计时本领，原子钟的出生离不开东谈主类在20世纪40年代原子核物理界限日新月异的发展。

原子是组成元素的最基本单元，同期亦然化学变化中的最小微粒，当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会开释电磁波，就是东谈主们所说的共振频率。合并种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节律器来保握高度精确的时刻。原子钟就是诳骗保握与原子的电磁波特征频率同步算作产生时刻脉冲的节律器。

回荡器产生微波或者光信号，通过精密可调的乘法器（微波/光频链路）与原子介质作用，探伤原子介质跃迁后的能态变化，锁定回荡器，回荡器输出递次频率信号。这是原子钟最基本的部分，称之为原子频标，加上频率计数和积分等计时器功能就构形周详部的原子钟。

在发现原子共振姿色后，物理学家就启动尝试将其振动恶果界说为递次的时刻计量单元。举例铯-133在零下273度条目下的共振频率为每秒9192631770次（约91亿次），这亦然当前国外计量大会（CGPM）关于”秒“的界说。

原子钟依靠计数测量原子的共振频率，并进行反推，从而终了精确计时。它的上风在于不含放射性，且不受相对论效应的影响，具有低漂移、高暴露性、抗辐射、体积小、分量轻、功耗低等特色，这让它在天际中有着用武之地，辐照至天际中责任的被称为空间原子钟。其中基于微波引发的被称为喷泉钟，被光引发的被称为光钟。

使用冷原子进行计时，是因为它的每个原子接近于静止景况，便捷将原子狂放在特定空间中，故意于东谈主类诳骗振动计时，这么的原子很“冷”是恶果而非原因。

这就是国外度量衡大会严格界说铯原子必须处于零下273度的原因：静止的原子舍弃了率领的纷扰，比拟于更“热”、率领速率较大的原子，其共振频率输出将更暴露，且更易被仪器捕捉。这就需要依靠罕见本领将原子延缓，导致了温度的下跌，达到界说中的零下273度低温。

三、如何让环境变成“最冷”？

空间冷原子钟精确计时诀要在于“高、冷”二字：一方面收货于天际中的“微重力”环境，另一方面则因为钟自身的“冷”。

咱们天然看不海涵子或分子，但内部的原子或分子都在率领，率领就会产生热，这即是热原子。冷原子时间是用激光的本领将原子温度从室温缩短到接近完全零度。对这些险些不动的原子进行测量，恶果会愈加准确。

制造冷原子钟的最浩劫点，莫过于将方针原子速率缩短至接近于零。

出于不同的谈论目的，科学家需要创造尽可能接近于完全零度的环境，使原子在“最冷”的环境下领有暴露的景况。这就需要从热能的界说上开拔，使原子“变冷”的根底是需要通过某种本领对原子延缓，当速率降至接近于零，实践上体系的温度就越接近完全零度。

关于这一清贫，华侨科学家朱棣文提议了“激光冷却和拿获原子的本领”，极大股东了冷原子物理学的发展，并以此取得了1997年诺贝尔奖。

原子由原子核和绕原子率领的电子组成。对某一个原子来说，暴露的原子核需要通过浩大的能量才能轰开，很难辐照能量交换，它的电子却容易与外来的光子发生作用。当电子从低轨谈跃迁到高轨谈时，它需要经受相应的能量。当特定频率的光子被原子经受后，根据动量守恒定律，这将导致原子的速率发生变化。

基于这个效应，科学家联想了从六个宗旨入射激光的安设，针对方针原子调养激光的频率到一个得当的值，保证光子被经受。

这么的联想的目的是：不管原子朝哪个宗旨率领，它老是会经受到当面而来的光子。这些原子就好似处在特定频率光子形成的“繁密糖浆”中，它们向各个宗旨率领的速率会络续缩短，直到险些静止，从而缩短统统体系的热能。这还是成为了国外上构造冷原子钟极低温环境的递次技能。

跟着激光冷却原子时间的发展，诳骗激光冷却的原子制造的冷原子钟使时刻测量的精度进一步提高，正以险些每十年进步一个数目级的速率发展。

四、超高精度授时助力多界限发展

站得高，望得远，关于卫星之间亦然如斯。当前的星载钟需要依靠络续与大地的冷原子钟进行对皆，才约略取得较精确的时刻信息，但星地之间相对较长的距离，以及大气层和电离层的存在都会导致同步历程有所波动。

如若在星间链路自身竖立一套精确授时系统，它就不错算作寰宇空间中的授时中心，将基于空间时刻坐标系下的超高精度时刻信息毫无纷扰地传输给其他卫星。

通过“梦天”实验舱的承接校准，在形成一个天际坐标系下的时刻频率集会系统后，不管是天际中的授时精度、照旧面向大地的导航精度（约略从米级精确至厘米级）都约略大幅进步。

同期它还能有用提拔好多基础科学的谈论，举例论证爱因斯坦广义相对论、更精确地测量物理常数和远方星系距离、监控引力波姿色、寻找暗物资和暗能量的凭证、探索寰宇中的引力红移姿色、不雅察远方星系的合并等，为我国后续的天文物理谈论创造更好的条目。

结语：

我国宽敞天际探索打算下的卫星之间相距几百万公里，却需要在毫米级别圭臬上感知到对方的发出的激光信号，这都需要极高精度的时刻瞄准才能。而当前，我国在天际中领有了最佳的授时系统，这将提拔我国在天际中多界限的谈论。毫无疑问，“梦天”实验舱中的冷原子钟组将赋予寰宇探索新的念念象。

参考文件：

[1]中国航天基金会. 解码梦天实验舱科学实验柜

[2]中国政府网. 中国空间站将应用自主研发的主动型原子钟

[3]科技时坛. 数十亿年谬误一秒！中国造出宇宙首套冷原子钟组，到底有什么用？

[4]中科院物理所. 光是如何让原子安宁下来的？

[5]北斗卫星导航系统. 从古于今，授时都履历了什么？