原子鐘為什麼能使北斗衛星的定位精度大幅提高？

最近，「天宮二號與神州十一號載人飛行任務進入實施階段」的新聞充斥著各大主流媒體。而「天宮二號」空間實驗室裝載了空間冷原子鐘、空地量子密鑰分配試驗等14項空間應用載荷。其中，首次進入太空的空間冷原子鐘，可以將航天器自主守時精度提高兩個數量級，大幅提高導航定位精度。

國務院於6月16日發布的《中國北斗衛星導航系統白皮書》「二、持續建設和發展北斗系統(四)持續提升北斗系統性能」中提到：為滿足日益增長的用戶需求，北斗系統將加強衛星、原子鐘、信號體制等方面的技術研發，探索發展新一代導航定位授時技術，持續提升服務性能。——提供全球服務。發射新一代導航衛星，研製更高性能的星載原子鐘，進一步提高衛星性能與壽命，構建穩定可靠的星間鏈路;增發更多的導航信號，加強與其他衛星導航系統的兼容與互操作，為全球用戶提供更好的服務。

為什麼會在這裡強調「原子鐘」?一是，「原子鐘」在衛星中非常重要，二是，目前「原子鐘」技術不夠完善。

衛星導航的基本原理就是精確測量微波信號從衛星走到你跟前所用的時間，再乘以光速就可以得到天上的衛星和你之間的準確距離。以前的鐘不夠准，所以GPS的民用精度也就十來米。理論上如果鐘的精度提高，導航精度也會改善。

導航都依賴原子鐘，因為只有原子鐘能夠在足夠小的體積內實現優於1納秒的精度。但現在的導航衛星，無論是GPS還是北斗，都使用普通原子鐘，也可以稱為熱原子鐘(相對冷原子鐘而言)。其基本原理是利用特殊原子(例如氫原子、銣原子、銫原子)的某個特定躍遷頻率，這個頻率有極高的穩定性，精度可以到皮秒甚至飛秒，但原子的這個躍遷頻率不能直接用，需要通過電磁波與原子相互作用，間接地用電磁波把這個頻率導出來，這是原子鐘的基本原理。

在百度里搜到以下這段，感覺解釋得很清楚。

【30年代,拉比和他的學生們在哥倫比亞大學的實驗室里研究原子和原子核的基本特性.也就是在這裡,他們在依靠這種原子計時器來製造時鐘方面邁出了有價值的第一步.在其研究過程中,拉比發明了一種被稱為磁共振的技術.依靠這項技術,他便能夠測量出原子的自然共振頻率.為此他還獲得了1944年諾貝爾獎.同年,他還首先提出「要討論討論這樣一個想法」(他的學生這樣說道),也就是這些共振頻率的準確性如此之高,完全可以用來製作高精度的時鐘.他還特別提出要利用所謂原子的「超精細躍遷」的頻率.這種超精細躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細微能量差別的狀態之間的躍遷。】

【在這種時鐘里,一束處於某一特定「超精細狀態」的原子束穿過一個振蕩電磁場.當原子的超精細躍遷頻率越接近磁場的振蕩頻率,原子從磁場中吸收的能量就越多,從而產生從原始超精細狀態到令一狀態的躍遷.通過一個反饋迴路,人們能夠調整振蕩場的頻率直到所有的原子完成了躍遷.原子鐘就是利用振蕩場的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產生時間脈衝的節拍器。】

【人們日常生活需要知道準確的時間,生產、科研上更是如此.人們平時所用的鐘錶,精度高的大約每年會有1分鐘的誤差,這對日常生活是沒有影響的,但在要求很高的生產、科研中就需要更準確的計時工具.目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘,它是20世紀50年代出現的.原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的.由於這種電磁波非常穩定,再加上利用一系列精密的儀器進行控制,原子鐘的計時就可以非常準確了.現在用在原子鐘里的元素有氫、銫(sè)、銣(rú)等.原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒.這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。】

美中不足的是，原子都有熱運動，常溫下大概幾百米每秒。這使得原子和電磁波的作用時間太短，導致得到的原子鐘精度不高，也就到納秒量級，這就是目前GPS和北鬥上面正在用的原子鐘。幸運的是，上世紀九十年代，美籍華人朱棣文發明了激光冷卻原子的技術，可以用幾束激光把原子團冷卻到絕對零度附近，也就是讓原子幾乎一動不動。當把這種冷卻後的原子放進微波場的時候，原子與微波的作用時間大大加長，使得原子鐘的精度顯著提高，達到了皮秒量級。

然而科學家們總是貪得無厭的，皮秒量級的精度還嫌不夠。因為原子團在進入微波場後，由於重力作用，很快速度變大，使得原子與微波的作用時間還是滿足不了科學家的胃口。

兜了這麼一大圈，可算說到正題了。為了繼續延長原子和微波的作用時間，科學家們想到了太空，在那裡沒有重力，原子理論上可以在一個位置懸浮很久，當然由於太空飛行器的各種限制，事實上不可能無限制懸浮，但無論如何原子與微波的作用時間可以比地面增大很多，目前保守估計可以把時鐘精度再提高一個數量級，如果其它方面都做到位的話，精度應該還可以更高。

另外，天宮二號上面的冷原子鐘絕不僅僅是精度更高，它在很多方面都與地面原子鐘顯著不同。僅列舉兩個方面。由於天宮二號上面寸土寸金，空間、重量、能源的限制都非常嚴苛，因此這個鐘經過了反覆瘦身，除了核心的物理部分外，其它部分都精簡精簡再精簡，因此這個鐘一方面比地面的冷原子鐘小巧很多，另一方面又比其它衛星上面的普通原子鐘精密好幾個數量級。另外天宮二號跟著火箭發射的過程，會有非常劇烈的振動，這是地面冷原子鐘從來不會考慮得，地面原子鐘都在地基穩定的實驗室里，恆溫恆濕，環境好得不得了，可以說地面原子鐘就像保育室里的嬰兒，處處被小心呵護，但天宮二號的冷原子鐘則像草原上的小豹子，必須直面大自然的各種考驗。

很快天宮二號就要發射了，冷原子鐘進入太空是一件歷史性事件，相信會取得成功，為這個優秀的團隊加油，也為整個載人航天團隊加油。(來源|北斗時空)

如果您對您所在行業有很深認知，也想在我們的平台上說點什麼，我們歡迎您來投稿!

請您繼續閱讀更多來自 3sNews 的精彩文章:

TAG:3sNews |

※午休短短十分鐘為什麼會迅速恢復精神？
※每天早起幾分鐘為孩子做這個餅吧，能明目補鈣，提高抵抗力
※空間冷原子鐘為「群星」校時
※黛藍與高級灰，分分鐘為你提升家居格調！
※早起5分鐘為孩子做這個餅，明目補鈣提高抵抗力，成本只要一塊錢
※岸潛PK船潛，分分鐘為你揭秘大不同！
※黃子韜生日應援大寫的窮？一秒鐘為你擺正明星應援的正確姿勢！
※大帝國衰敗的聲音:自鳴鐘為誰而鳴?
※您願意花兩分鐘為家人祈願加持嗎？大慈大悲的藥師佛助您全家消災延壽，祛病安康，富貴吉祥！
※喪鐘為誰而鳴？——那些描繪真實戰爭的藝術名作
※如何提升運動狀態？4分鐘為你解讀健身補劑氮泵
※為林爸爸點贊：別人的不幸就是你的不幸，喪鐘為你而鳴
※空調爆炸究竟為哪般？編輯三分鐘為您全面解讀！
※練出八塊腹肌，讓迷妹分分鐘為你尖叫！
※別人的不幸就是你的不幸，喪鐘為你而鳴
※這3種情況都在表明：酒精肝距離你越來越近了！花3分鐘為老公看看
※十分鐘為你搞定計量經濟學學習框架
※大本鐘為倫敦恐襲亮起紅燈，它的每個顏色都藏滿了故事
※讓神奇的生物鐘為你的優生做幫助，如何正確的選擇生物鐘？