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出品：科普中國 制作：科學(xué)大院 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 一、為什么需要提高時(shí)間測量精度 在文明進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史長河中，人類活動(dòng)所帶來的社會(huì)需求與時(shí)間測量的精度是密不可分的。從古老的日晷、水鐘、沙漏等原始計(jì)時(shí)裝置，到工業(yè)革命后期出現(xiàn)的機(jī)械擺鐘、石英表，再到現(xiàn)代科技利用原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)明的原子鐘……那么，21世紀(jì)人類社會(huì)已經(jīng)步入信息爆炸時(shí)代，對時(shí)間測量精度的要求到底高到了什么地步？ 當(dāng)前地面上投入使用的最準(zhǔn)確的原子鐘誤差已經(jīng)降到萬億分之一秒/天。如此高精度的計(jì)時(shí)需求，人們也許是感覺不到的，生活中，貌似一只誤差百分之一秒/天的手表就足夠用了。但事實(shí)上，當(dāng)計(jì)時(shí)器的誤差超過千分之一秒/天時(shí)，人們現(xiàn)在每天賴以生存的電子通信網(wǎng)絡(luò)、高速交通管理、金融系統(tǒng)安全、電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電等日常活動(dòng)就都將陷入混亂；當(dāng)誤差超過十億分之一秒/天時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位、船只遠(yuǎn)海航行、導(dǎo)彈精密打擊等高精準(zhǔn)度行為就會(huì)不同程度地偏離目標(biāo)，而諸如開展深空探測、引力波探測、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量、廣義相對論驗(yàn)證等等對時(shí)間精度要求達(dá)到極致的科學(xué)研究活動(dòng)就更不要提了。 正因如此，全世界數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)室就建立了幾百臺高精度原子鐘，它們共同組成了世界通用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)，該系統(tǒng)由國際計(jì)量局負(fù)責(zé)保持，通過網(wǎng)絡(luò)、電話、長波、短波、電視等各種通信手段為大眾提供授時(shí)服務(wù)。其中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為高精度授時(shí)服務(wù)的主要手段。目前，制約衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度的主要因素是星載原子鐘的精度和大氣層對空地信號同步比對過程的影響，因此，發(fā)展空間超高精度原子鐘，提高空間計(jì)量守時(shí)精度，對全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、基礎(chǔ)物理研究、深空探測等方面都具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。 二、什么是原子鐘 原子鐘是科學(xué)家們利用原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率這一特點(diǎn)，發(fā)展出的比晶體鐘更高精度的計(jì)時(shí)裝置。1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)將時(shí)間“秒”進(jìn)行了重新定義：“1秒為銫原子(133Cs)基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間”。自從有了原子鐘，人類計(jì)時(shí)的精度以幾乎每十年提高一個(gè)數(shù)量級的速度飛速發(fā)展，20世紀(jì)末達(dá)到了10－14量級，即誤差約為百億分之一秒/天，在此基礎(chǔ)上建立的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（例如美國GPS、中國的北斗），覆蓋了地球98%的表面，將原子鐘的信號廣泛的應(yīng)用到了人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。 近30年間，隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展，利用激光冷卻的原子而制造的冷原子鐘使時(shí)間測量的精度進(jìn)一步提高，到目前為止，地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘精度已經(jīng)達(dá)到了10－1 6量級，誤差小于萬億分之一秒/天，而更高精度的冷原子光鐘也在飛速發(fā)展中?？偠灾?，原子鐘的發(fā)展使“時(shí)間”成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中測量準(zhǔn)確度最高的基本物理量，通過各種物理轉(zhuǎn)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(xiàn)代物理計(jì)量的基礎(chǔ)。 三、空間冷原子鐘與地面冷原子鐘有何不同 在地面上，由于受到重力的作用，自由運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)始終處于變速狀態(tài)，宏觀上只能做類似噴泉的運(yùn)動(dòng)或者是拋物線運(yùn)動(dòng)，這使得基于原子量子態(tài)精密測量的原子鐘在時(shí)間和空間兩個(gè)維度受到一定的限制。而在空間微重力環(huán)境下，原子團(tuán)可以做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)，基于對這種運(yùn)動(dòng)的精細(xì)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?？梢灶A(yù)期，空間冷原子鐘將成為目前空間最高精度的原子鐘。 最近，中科院上海光機(jī)所的科學(xué)家們將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合，發(fā)展出空間超高精度冷原子鐘，研制的“空間冷原子鐘”實(shí)驗(yàn)樣機(jī)計(jì)劃于2016年9月搭載天宮二號發(fā)射升空，這將成為國際上首臺在軌運(yùn)行并開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的“空間冷原子鐘”，有望在空間軌道上獲得較地面上的線寬窄一個(gè)數(shù)量級的原子鐘譜線，從而提高目前空間原子鐘的精度，這將是原子鐘發(fā)展史上又一個(gè)重大突破。 四、“空間冷原子鐘”上天：究竟要做啥？
“空間冷原子鐘”將在軌開展包括激光連續(xù)穩(wěn)頻輸出、激光冷卻原子、原子慢速拋射、超冷原子與微波相互作用、冷原子鐘信號產(chǎn)生與傳遞、高精度光電自動(dòng)時(shí)序控制等前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這是人類首次在太空中開展這些實(shí)驗(yàn)，可以為未來在超高精度時(shí)間基準(zhǔn)有重大需求的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用等的開展奠定基礎(chǔ)。 空間冷原子鐘由物理單元、微波單元、光學(xué)單元和控制單元組成，每個(gè)單元都有非常高的技術(shù)指標(biāo)，其工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術(shù)獲得接近絕對零度（μK量級）的超冷原子團(tuán)，然后采用移動(dòng)光學(xué)黏團(tuán)技術(shù)將其沿軸向慢速拋射，而在空間微重力環(huán)境下，原子團(tuán)可以做超慢速均速直線運(yùn)動(dòng)。而處于純量子基態(tài)上的原子經(jīng)過環(huán)形微波腔，與分離微波場兩次相互作用后產(chǎn)生量子疊加態(tài)，通過測出處于兩種量子態(tài)上的原子數(shù)比例，獲得原子躍遷幾率，改變微波頻率可以獲得原子鐘的信號譜線－Ramsey條紋。預(yù)計(jì)微重力環(huán)境下所獲得的Ramsey中心譜線線寬可達(dá)0.1 Hz，比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個(gè)數(shù)量級，利用該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得超高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號。
五、“空間冷原子鐘”的好處 空間冷原子鐘本身具有極高的精度，同時(shí)在太空中對其它衛(wèi)星上的星載原子鐘又可以進(jìn)行無干擾的時(shí)間信號傳遞和校準(zhǔn)，避免了大氣和電離層多變狀態(tài)的影響，從而使得基于空間冷原子鐘授時(shí)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有更加精確和穩(wěn)定的運(yùn)行能力。
空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，并且在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、深空探測、廣義相對論驗(yàn)證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數(shù)測量等一系列重大技術(shù)和科學(xué)發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。
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