引言

　　我国首个真正意义上的空间实验室天宫二号将于今年9月15日至20日择机发射。中国科学家将在其中开展十余项高精尖的实验任务，是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。

　　这些实验有的是要探索宇宙最深处的奥秘，有的是帮助人们更好地认识海洋和大气，有的甚至想要解决将来星际旅行时的食物问题……

　　“新华视点”栏目推出系列报道，带你提前探秘这些“不明觉厉”的太空实验。此为第四篇。

　　即将飞天的天宫二号里，住着一位严格掌管时间的“大管家”，一旦被“唤醒”，将在太空精准运行，三千万年仅误差一秒，成为人类历史上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。

　　空间冷原子钟 上海光机所研制（赵侃摄）

　　什么是空间冷原子钟？有什么用？别急，这个专业的科学概念，需要我们分步骤来理解。 

　　第一步：钟 

　　钟是人类测量时间的工具。

　　我们知道，时间是宇宙中最基本的物理量。人是生存于时间里的动物，人的任何活动都离不开对时间的测量。

　　人类计时工具的演变（刘琪制图）

　　从古至今，钟的形态不断变化，从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置，到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表，再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟……人类社会的前进发展伴随的是计时工具的不断升级。

　　第二步：原子钟 

　　原子钟的出现，是人类计时工具的一次重大革命，标志着人类从天文时间迈向原子时间。它是科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出的高精度的计时装置。

　　如今，人类在地面实验室实现的最准确的原子钟误差已经降到万亿分之一秒/天，换句话说，大约三亿年误差一秒。

　　时间测量装置的演变图例（梁哲凯制图）

　　全世界目前数十个实验室建立了几百台高精度原子钟，它们共同组成了世界通用标准时间系统，该系统由国际计量局负责保持，通过网络、电话、长波、短波、电视等各种通信手段为大众提供授时服务。

　　第三步：冷原子钟 

　　原子钟的发展使“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量，通过各种物理转化，可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。

　　近30年间，随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子而制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟精度已经达到了10－16量级，误差小于万亿分之一秒/天，而更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。

　　这么高的精度有什么用？ 

　　空间冷原子钟分系统主任设计师刘亮介绍，如果没有这样高精度的时间测量，人类的现代生产、生活将寸步难行： 

　　当计时器的误差超过千分之一秒/天时，电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就都将陷入混乱； 

　　当误差超过十亿分之一秒/天时，卫星导航定位、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标； 

　　如果没有超高精度的时间测量，开展深空探测、空间基础物理等等科学研究活动将难以实现。 

　　第四步：空间冷原子钟 

　　地面上的冷原子钟已经很厉害，为什么还要让它上天呢？

　　中国科学院上海光机所副所长陈卫标这样解释，空间冷原子钟的工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度的超冷原子团，然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向慢速抛射，在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，能使人们获得较地面上更加精密的原子钟信号。

　　空间冷原子钟工作原理图（刘琪制图）

　　同时在太空环境避免了大气和电离层多变状态的影响，使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统更加精确稳定。未来，空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。

　　空间冷原子钟的典型应用（刘琪制图）

　　此外，空间冷原子钟还将为空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础，并为人们进行引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大科技技术研究提供重要的支持。

　　致谢：

　　中科院上海光学精密机械研究所

　　中科院空间应用工程与技术中心

　　部分图片由中国科学院提供

　　记者：白国龙、吴晶晶、崔静

　　编辑：胡喆

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