上亿年误差1秒 冷原子钟中国造

精确计时的适用范围

(Baidu.com)

没有钟摆和秒针的滴答声，一个“外观”完全不符合人们对钟的期望的黑色圆柱体把天宫二号空间实验室带到了太空，成为人类历史上第一个在轨道上进行科学实验的空间冷原子钟。这个钟的时间测量是基于原子物理，不像大多数原子钟，这个钟使用更先进的冷原子物理技术。

上海光学研究所量子光学重点实验室主任刘亮表示，如果机械表每天误差约为1秒，石英表10天误差约为1秒，氢脉泽百万年误差为1秒，那么冷原子钟3亿年误差甚至可以达到1秒。

空间冷原子钟精确计时的秘密在于“高与冷”这个词:一方面得益于空间“天宫二号”的“微重力”环境，另一方面是由于钟本身的“冷”。

在微重力环境下，原子团可以以超低速和匀速直线运动。基于对这种运动的精细测量，可以获得比地面上更精确的原子谱线信息，从而可以获得更高精度的原子钟信号，并且可以实现地面上无法实现的性能。

此外，利用激光冷却技术，原子气体被冷却到极低的温度，这大大消除了原子热运动对原子钟性能的影响。

“这就像坐在一个房间里，虽然你看不到原子或分子，但里面的原子或分子正在运动，而且运动会产生热量，这就是热原子。冷原子技术利用激光将原子温度从室温降低到接近绝对零度。如果我们测量这些几乎不动的原子，结果会更准确。”刘良说道。

科学家解释说，这是为了在太空中做一个高精度的时间参考。有了这个基准，天空中的原子钟可以同步，使它们更加精确。

由于空间轨道与地球表面之间存在大气和电离层，地面高精度时间基准信号与卫星或航天器相比，在时间同步上会受到大气变化状态的干扰，导致各种误差和不稳定性。

空间冷原子钟在轨运行将在空间建立超高精度的时间和频率基准，并对其他卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传输和校准，使基于空间冷原子钟同步的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

据科学家称，冷原子技术的发展极大地提高了许多实验的准确性，使得进行以前不可能的实验成为可能。例如，目前的卫星导航系统只能用于近地范围。将来有可能找到太阳系的行星吗？如果能把高精度原子钟放置在空间的适当位置，就能实现大规模高精度导航。

刘亮认为，最合适的位置是太阳系中的每个拉格朗日点，因为它不受重力影响。如果在每一个点上放置一个高精度的原子钟，至少在太阳系的更大范围内可以实现精确定位。一旦实现了这一点，就可以进行大规模的时空研究，例如，可以验证广义相对论在大规模情况下是否成立。

刘亮说，利用太空冷原子钟还可以测量引力红移，探测引力波和暗物质。“事实上，许多研究都是基于我们对时间和空间的测量。只要我们能探测到时间和空间的变化，我们就能测量出当前方法感觉不到的东西。”他说。