天宮二號帶的這台原子鐘，還能讓 GPS 定位更精準

知識 09-18

天宮二號即將搭載的冷原子鐘相比其他類型的原子鐘有什麼不同？為什麼能使北斗衛星的定位精度大幅提高？

中國科普博覽，我們科學家有話說

在談及空間冷原子鐘之前，我們首先來聊一聊什麼是

原子鐘？

在人類文明進步和科學技術發展的歷史長河中，人類活動所帶來的社會需求與時間測量的精度是密不可分的。很久很久以前，我們的祖先記錄時間是利用天體的周期性運動。他們日出而作，日落而息，通過觀察自然現象，例如太陽和月亮相對自己的位置等來模糊的定義時間，這樣的時間被稱為自然鍾。

後來，人們逐漸發明了如日晷、水鍾、沙漏等計時裝置，能夠指示時間按等量間隔流逝，這也標誌著人造時鐘開始出現。

而當鐘擺等可長時間反覆周期運動的振蕩器出現後，人們把任何能產生確定的振蕩頻率的裝置，稱為時間頻率標準，並以此為基礎發明了真正可持續運轉的時鐘。

天宮二號帶的這台原子鐘，還能讓 GPS 定位更精準

人類計時工具的演變（劉琪製圖）

從 14 世紀到 19 世紀中葉的 500 年間，人們首先採用古老的擺輪鍾代替了自然鍾，（精度約為 10-2量級，誤差約為 1 刻鐘 / 天），然後在鐘擺裝置的基礎上逐漸發展出日益精密的機械鐘錶，使機械鐘的計時精度達到基本滿足人們日常計時需要的水平（精度最高達到 10-8量級，誤差約為 1 秒 / 年）。

從 20 世紀 30 年代開始，隨著晶體振蕩器的發明，小型化、低能耗的石英晶體鍾表代替了機械鐘，廣泛應用在電子計時器和其它各種計時領域，一直到現在，成為人們日常生活中所使用的主要計時裝置。

20 世紀 40 年代開始，現代科學技術特別是原子物理學和射電微波技術蓬勃發展，科學家們利用原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率這一特點，發展出比晶體鍾更高精度的原子鐘。

自從有了原子鐘，人類計時的精度以幾乎每十年提高一個數量級的速度飛速發展，20 世紀末達到了 10-14量級，即誤差約為 1 秒 /300 萬年，在此基礎上建立的全球定位導航系統（例如美國 GPS），覆蓋了整個地球 98% 的表面，將原子鐘的信號廣泛的應用到了人類活動的各個領域。

隨著激光冷卻原子技術的發展，利用激光冷卻的原子製造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高，到目前為止，地面上精確度最高的冷原子噴泉鍾誤差已經減小到 1 秒 / 3 億年，更高精度的冷原子光鍾也在飛速發展中。

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時間測量裝置的演變圖例（梁哲凱製圖）

總而言之，「時間」成為現代科學技術中測量準確度最高的基本物理量，通過各種物理轉化，可以提高長度、磁場、電場、溫度等其它基本物理量的測量精度，是現代物理計量的基礎。

近年來，科學家們將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合，有望在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個數量級的原子鐘譜線，從而進一步提高原子鐘精度，這將是原子鐘發展史上又一個重大突破。

由於高精度空間原子鐘在計量學、守時、全球導航定位系統、基礎物理等方面都有非常重大的科學研究和工程應用價值，國際上爭相開展空間高精度原子鐘的研究計劃，其中最主要的是歐洲空間局 ESA 支持的 ACES 計劃，預計將於 2017 年發射運行。

前文中我們提到，這次天宮二號即將搭載的冷原子鐘是由上海光機所研製的空間冷原子鐘，那麼我們就不得不提及中國科學院上海光機所的王育竹院士及其科研團隊，他們從上世紀六十年代就開始了原子鐘方面的研究。

在 1971~1979 年間，他們承擔了「遠望」號測量船上銣原子鐘的研製任務，成功研製出中國第一台銣原子鐘，為國家導彈發射、遠距離測量、通信等領域做出過重要貢獻，獲得了全國科技大會「重大科技成果獎」和國家科技進步特等獎。

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中國第一台銣原子鐘（上海光機所研製）

70 年代末，國際上激光冷卻氣體原子的概念剛剛提出時，王育竹院士立刻認識到冷原子對原子鐘的研究將產生革命性的影響，於是他率領團隊著手開展了激光冷卻原子技術的研究。

進入 21 世紀後，隨著實驗室激光冷卻技術的發展，王育竹院士開始逐步推進小型化冷原子銣鍾和空間冷原子鐘的可行性研究。

2007 年，在王育竹院士的指導下，劉亮研究員領導的空間冷原子鐘團隊成立，並於 2010 年完成了空間冷原子鐘原理樣機的研製和地面科學試驗論證。

2011 年，空間冷原子鐘實驗 CACES（Cold Atom Clock Experiment in Space）計劃正式進入工程樣機的設計與研製階段。

到2016 年，經過科學家們近 10 年的艱苦努力，中國第一台空間冷原子鐘正樣產品研製成功，並且它在光、機、電、熱、軟體等方面通過了中國載人航天工程各類環模測試的檢驗，達到了滿足火箭發射和空間在軌正常運行的要求，據悉，在即將發射的天宮二號載人航天飛行器上，就會搭載上海光機所研製的空間冷原子鐘，這將成為國際上第一台在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

最後，究竟空間冷原子鐘與地面上的一般的冷原子鐘有什麼不同呢？

據科學家們介紹，空間冷原子鐘是在地面噴泉原子鐘的基礎上發展而來。

在地面上，由於受到重力的作用，自由運動的原子團始終處於變速狀態，宏觀上只能做類似噴泉的運動或者是拋物線運動，這使得基於原子量子態精密測量的原子鐘在時間和空間兩個維度受到一定的限制。

在空間微重力環境下，原子團又可以做超慢速勻速直線運動，基於對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。可以預期，空間冷原子鐘將成為目前空間最高精度的原子鐘。

天宮二號帶的這台原子鐘，還能讓 GPS 定位更精準

空間冷原子鐘（上海光機所研製趙侃拍攝）

空間冷原子鐘主要包括物理單元、微波單元、光學單元和控制單元四大組成部分，每個單元都有非常高的技術指標，其工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術獲得接近絕對零度（μK 量級）的超冷原子團，然後採用移動光學黏團技術將其沿軸向拋射。

在微重力環境下，原子團可以做超慢速均速直線運動。處於純量子基態上的原子經過環形微波腔，與分離微波場兩次相互作用後產生量子疊加態，經由原子雙能級探測器測出處於兩種量子態上的原子數比例，獲得原子躍遷幾率，改變微波頻率即可獲得原子鐘的譜線 Ramsey 條紋。預計微重力環境下所獲得的 Ramsey 中心譜線線寬可達 0.1 Hz，比地面冷原子噴泉鍾譜線窄一個數量級，利用該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度的時間頻率標準信號。

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