在宇宙中，“雕刻”精准时间

随着梦天实验舱成功发射升空并顺利完成交会对接和转位，中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成。目前，梦天实验舱8个科学实验柜陆续加电开机，即将开始在轨测试。

在这个空间实验“梦工场”里，高精度时频实验柜作为空间站中最复杂的实验柜，拥有世界上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。

此项目首席科学家、总指挥、国家授时中心主任张首刚介绍：“该系统利用空间站微小重力环境、超大载荷能力，以及航天员照料等优势条件，通过我们研制的不同类型的空间原子钟的组合，在空间站建立精度极高的时间频率产生运行系统。”



为什么原子钟计时是最准的？



时间是“岁月缱绻，葳蕤生香”的浪漫，也是“韶华如驶，时光如掷”的匆匆。但在科学家眼中，时间就是要精准，毫厘不差。

从前，人类通过太阳东升西落定义“一天”。现在，我们把一天分成24小时，一小时60分钟，一分钟60秒。这样定义的“一秒”并不准确，因为地球自转时快时慢，根据地球自转定义的“一秒”是不均匀的。

“从天文学角度看，每天的时间长度是不一样的。有时候一天是24小时，有时是23小时59分。”高精度时频系统项目科学总体副主任设计师陈江告诉科普时报记者，“一秒”是时间的基本单位，科学家一直在寻找稳定的间隔作为计时标准，来替代现有的这“一秒”。

早在1967年，国际计量大会重新定义了“一秒”：它是铯133原子基态的两个超精细能级间，跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，复现秒定义的装置就是传说中的“原子钟”。

作为一种精准的计时器，原子钟就是把原子的两个超精细能级之间的跃迁频率作为参考频率输出的高精密仪器。“原子的跃迁频率是自然界的固有特性，任何外力无法改变。若想要利用这种稳定的频率信号计时，首先要确保能够探测到它。”陈江解释，梦天实验舱搭载的冷原子钟是利用激光冷却技术，将原子的温度降至2μk（温度单位）左右，让原子“静”下来，这就好比给一个小朋友拍照，他跑来跑去，拍出来的照片就是虚影。想办法让它待着别动，这样才能探测到原子的跃迁频率，产生高精度时间频率信号。



为什么要把这套钟组搬上天？



“把如此高精度的时间频率系统搬上天，尚属首次。”陈江说，此前，国际上没有足够大的航天器能够承载这套系统。在地面上，这套系统一般存放于30平方米—40平方米且可以控温、控震动、控磁场的实验室里，对环境的要求极高。若想把这么大的一套系统搬上天，难度可想而知。但这些困难，都被我国科研人员克服了。

陈江介绍，主动型氢原子钟是高精度时频实验系统中的核心载荷，为空间时间频率系统提供基础时间频率信号，同时为小型化的主动型氢原子钟在卫星平台上的应用打下坚实的基础。冷原子铷钟比主动氢原子钟高一个量级，由于其复杂性更高，相对来说，它的运行时间没那么长，在一些需要更高精度运行的系统上，才会提供冷原子铷钟的信号。最高的频率标准就是冷原子光钟，它是一种基准钟，能够标校其他原子钟的信号。也就是说，梦天实验舱搭载的冷原子光钟是地球发射到太空的测量精度最高的量子精密测量仪器。

目前，科学家们对于相对论的验证，是利用原子钟在地面上进行的。太空环境下的相对论的研究和验证工作尚属空白。“一个理论的成立必须任何环境下都成立。”陈江介绍，利用太空特有的微重力环境，高精度原子钟可以开展基础物理研究工作，如引力红移检验，精细结构常数的测量等实验；还可以支撑暗物质、引力波探测等基础物理研究，比如我国引力波探测的太极计划、天琴计划等。

“此外，这项工作还有助于实现更高精度的卫星定位导航，比如卫星之间相距几十公里或几百万公里，在如此大的尺度上要实现米级的定位精度，对于时间精度的要求要达到亿万分之一秒，梦天舱上的冷原子钟组技术将能助力实现。”陈江说。

牛逼啊，我在上课堂的时候听过这个，但不多。