4200萬年誤差僅1秒，世界上最“高冷”的鐘 | 屈求智

牛人的尾巴 2019-12-05

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“一個全新的冷原子鐘的時(shí)代即將到來。它將會擺脫實(shí)驗(yàn)室的束縛，應(yīng)用到各種更加復(fù)雜、更加需要的環(huán)境中去，為大家服務(wù)?！?/section>

屈求智

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所副研究員

首先我問大家一個問題，什么是時(shí)間？這個問題聽起來好像很熟悉，我們每個人每天都不停地在看時(shí)間，但是當(dāng)有人問你“時(shí)間是什么”的時(shí)候，可能就不是那么好回答了。

古羅馬時(shí)期著名的思想家荷馬說過：“如果沒有人問我這個問題，我想我知道什么是時(shí)間；可如果有人一問我，我就什么都不知道了?！睈垡蛩固挂舱f過這個問題，當(dāng)有人問他什么是時(shí)間，愛因斯坦說：“空間和時(shí)間只是我們?nèi)祟愃伎嫉哪Ｊ?，并不是我們賴以生存的條件?！?/section>

這話很深奧。說實(shí)話，我也說不清楚時(shí)間是什么。大家如果有興趣，可以去看一看霍金大神寫的那本書——《時(shí)間簡史》。

時(shí)鐘：時(shí)間的記錄者

時(shí)間我說不上來，但是用來測量時(shí)間的是時(shí)鐘。我倒是可以給大家解釋解釋。用一句最簡單的話來解釋時(shí)鐘，它就是周期運(yùn)動加一個計(jì)數(shù)器。

大家看，古時(shí)候我們分辨時(shí)間，就是看太陽、看月亮、看星星的周期運(yùn)動。通過它們的位置，我們能夠簡單地判斷時(shí)間。我們稱這類鐘為自然鐘。自然鐘沒有什么精確度可言，大概就是能知道現(xiàn)在是上午、下午還是傍晚。

人類自然不滿足于這樣的結(jié)果，所以在接下去的幾百年、上千年，人類發(fā)明了很多很多裝置來記錄時(shí)間。這張圖中那個記錄時(shí)間的裝置叫什么？

它就是日晷。這個日晷最近在一部電視劇里可火了，這部電視劇叫《長安十二時(shí)辰》。

下面的那個沙漏也是用來記錄時(shí)刻的。每次把沙漏倒過來，沙子會流到底下；再倒過來，沙子又會反過來流。沙漏有一個特點(diǎn)——可以等量地記錄一段時(shí)間，而且時(shí)間間隔基本不變。

但是，這些都還不能稱之為時(shí)鐘。要成為時(shí)鐘，必須還有一個條件——能夠不斷地彌補(bǔ)損失的能量。所以，后來人們發(fā)明了水鐘和各種機(jī)器鐘擺，利用風(fēng)能、電能等讓這些鐘始終不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，我們稱這類鐘為人造鐘。

這是法國一個叫貝桑松的小鎮(zhèn)，那里非常小，風(fēng)景非常優(yōu)美。在那里我看到了這臺鐘。貝桑松雖然面積不大，但卻是世界時(shí)間頻率的中心。每兩年一次的世界時(shí)頻大會都在這個小鎮(zhèn)召開，所以那里聚集了人類歷史上最精確、最好的一些時(shí)鐘。

大家看這臺鐘，這是它的正面和背面。像這樣的一臺鐘，精度就非常高了。它能高到什么程度呢？高到10^-8這個量級。換句話說，一年也就誤差一兩秒。

當(dāng)然，現(xiàn)代人不可能每家都有一臺這樣的鐘。我們現(xiàn)在都用非常好的機(jī)械手表、石英表來計(jì)時(shí)。

那你們知道機(jī)械表和石英表的精度是多少嗎？有人說是“秒”。秒，只是它的分辨率，現(xiàn)在好的石英表已經(jīng)能夠達(dá)到分辨毫秒以下的精度了，用它來計(jì)時(shí)，日常生活就足夠了。

原子鐘的誕生

是不是有這樣的表就夠了呢？我們還需要更精確的時(shí)鐘嗎？

我給大家兩個數(shù)字：如果一天的計(jì)時(shí)誤差超過千分之一秒，那么通信網(wǎng)絡(luò)、交通、金融系統(tǒng)、安全、電網(wǎng)發(fā)電等，就會陷入混亂；如果一天的計(jì)時(shí)誤差超過十億分之一秒，那么咱們的導(dǎo)航定位系統(tǒng)就不能像現(xiàn)在有這么高的精度了。

現(xiàn)在我們的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它的精度大概在3米～10米的范圍內(nèi)波動。如果我們要進(jìn)行導(dǎo)彈精確打擊，若時(shí)間測錯了，那導(dǎo)彈直接就不知道打哪兒去了。

用什么樣的鐘才能夠?qū)崿F(xiàn)這么高精度的時(shí)間測量呢？在20世紀(jì)50年代的時(shí)候，一位叫拉姆賽的科學(xué)家發(fā)明了一種神奇的方法，叫作分離振蕩法。用分離振蕩法可以把原子的振蕩頻率給提取出來，作為計(jì)時(shí)器的周期運(yùn)動。

因?yàn)樵拥恼袷庮l率非常穩(wěn)定，而且非?？?，也就是說，原子的周期運(yùn)動的時(shí)間間隔非常非常小，這樣可以讓分辨的時(shí)間間隔也非常非常小。

同時(shí)，由于原子非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以我們能利用它來研制既準(zhǔn)又穩(wěn)的時(shí)鐘——原子鐘。

人類需要更高精度的原子鐘

當(dāng)有了原子鐘以后，人類的科技進(jìn)步就開始騰飛了。而且在過去的幾十年里，每10年原子鐘的精度都會提高一個數(shù)量級?，F(xiàn)在，原子鐘主要運(yùn)用在GPS或者北斗上面，比如氫原子鐘，還有常見的銫原子鐘、銣原子鐘，等等。

它們的誤差可以達(dá)到數(shù)十萬年，甚至是數(shù)百萬年誤差一秒。但是問題來了，是不是這樣就夠了呢？現(xiàn)在原子鐘的精度能不能無限地再往上面增加呢？

答案是，很難。因?yàn)樵隅姷木仍?0世紀(jì)末已經(jīng)達(dá)到了一個瓶頸，基本上到了這個數(shù)量級的時(shí)候，精度已經(jīng)很難提高了。而精度提高最大的限制在于，原子本身的熱運(yùn)動沒有辦法消除。

原子的熱性運(yùn)動是什么？原子又是怎么回事？我們現(xiàn)在需要的是優(yōu)于3000萬年誤差1秒的空間原子鐘，下一代的導(dǎo)航系統(tǒng)也需要更高精度的空間原子鐘。

如果我們進(jìn)行深空探測的反向定位，就是把我們的衛(wèi)星反過來朝向太空，去進(jìn)行太空定位的時(shí)候，大家想象一下，現(xiàn)在的這種10米、3米的精度夠不夠？

我打個比方，我們想坐宇宙飛船去太陽系最邊上的冥王星，如果用現(xiàn)在的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，可能永遠(yuǎn)也到不了冥王星，因?yàn)檎`差實(shí)在是太大了。

進(jìn)行深空導(dǎo)航，必須要有優(yōu)于3000萬年誤差1秒的原子鐘才行。怎么樣才能得到更高精度的原子鐘呢？我們來看看這張圖。這是電影《復(fù)仇者聯(lián)盟》中的角色“滅霸”，在影片中，滅霸手指一打，蜘蛛俠就灰飛煙滅了。

當(dāng)蜘蛛俠變成小黑點(diǎn)的時(shí)候，我就在想，那一共有多少個小黑點(diǎn)呢？有沒有人知道大概的數(shù)量級？如果以一個60千克重量的普通成人計(jì)算，那將有2.4×10²⁷個原子。

原子究竟是什么？原子是組成人體最基本的單位，最基本的粒子。但是原子有一個特點(diǎn)，那就是化學(xué)攻擊對它沒有傷害。換句話說，如果我們把魔法稱之為化學(xué)攻擊的話，那原子對魔法攻擊是免疫的。

什么東西對原子會形成傷害呢？對，物理攻擊。那什么樣的武器可以攻擊原子呢？答案是激光。而最近30年，科學(xué)家們就發(fā)明了用激光來冷卻原子的方法。

以前正在上大學(xué)的我也搞不懂什么是激光冷卻，只是在查文獻(xiàn)的時(shí)候突然查到了激光冷卻這一概念。因?yàn)楫?dāng)時(shí)我很好奇，所以就看了一下。文獻(xiàn)中說，激光冷卻可以把原子冷卻到絕對零度。

絕對零度這個概念我只在小時(shí)候看一部動畫片的時(shí)候聽說過，印象還挺深刻?？赡苣挲g跟我差不多的人都看過這部動畫片——《圣斗士星矢》。片里有一個圣斗士叫冰河，冰河升級到最后，可以做到一拳打出鉆石星辰拳，把他的師傅給凍住，那一拳就叫絕對零度。

什么是絕對零度？絕對零度能把原子都凍住。我們知道，零度會讓水結(jié)成冰，變成固體；零下200℃的時(shí)候，空氣會結(jié)成冰，變成固體；零下273.15℃的時(shí)候，原子就會靜止不動，被凍住，這個溫度就叫絕對零度。

2000年畢業(yè)后，我就來到了中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所。因?yàn)楫?dāng)時(shí)我查到，全中國只有上海光機(jī)所在開展激光冷卻的實(shí)驗(yàn)，所以我就跑過來了。這一來不要緊，我一頭扎進(jìn)冷原子的世界就是20年。

冷原子鐘上天難

用冷原子可以大幅度提高原子鐘的精度。但怎么樣用這個原子鐘呢？大家看這張圖，這是星間鏈路圖。

從圖中我們可以看到北斗的星載原子鐘和其他導(dǎo)航系統(tǒng)的星載原子鐘，如果在這個星間鏈路里有一個空間冷原子鐘，那就不得了了。這個空間冷原子鐘可以將它的超高精度，直接點(diǎn)對點(diǎn)地傳給所有衛(wèi)星。

大家知道，現(xiàn)在衛(wèi)星上的原子鐘要靠不斷地跟地面上的冷原子鐘進(jìn)行比對，才能夠獲得相應(yīng)的精度。但因?yàn)樘斓刂g隔著大氣層，云層的變化和電離層的變化都會導(dǎo)致比對過程中產(chǎn)生波動。

如果在天上就有一個高精度的基準(zhǔn)，那所有原子鐘的精度不就直接提高了嗎？所以冷原子鐘的運(yùn)用前景是非?？捎^的。

如果我們實(shí)現(xiàn)了這個愿景，就可以把現(xiàn)在導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度從10米降到米以下，甚至到厘米、毫米以下。那個時(shí)候，無人駕駛、智能汽車就可以真正實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用了。不過要把冷原子鐘送上天，非常困難。

冷原子鐘技術(shù)非常復(fù)雜，現(xiàn)在，全世界只有發(fā)達(dá)國家的十幾個國家級實(shí)驗(yàn)室擁有冷原子鐘技術(shù)。大家都希望把這樣一臺冷原子鐘送上太空。

冷原子鐘研發(fā)難

從1997年開始，歐洲航天局（ESA）就開始了他們的空間冷原子鐘計(jì)劃，他們管這臺鐘叫法老鐘，這臺鐘已經(jīng)研制20多年了，還沒有被發(fā)射成功。1999年美國國家航空航天局（NASA）也啟動了類似項(xiàng)目。

中國當(dāng)然不會落后，因?yàn)槲覀兊目茖W(xué)家意識到，在這個領(lǐng)域我們絕對不能落后。2005年的時(shí)候，我們開始了中國自己的空間冷原子鐘研制計(jì)劃。

結(jié)果如何呢？到現(xiàn)在，ESA和NASA還沒有實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，但中國在2016年的時(shí)候就實(shí)現(xiàn)了。這就是“天宮二號”空間冷原子鐘的由來。

那么，是一個什么樣的研制團(tuán)體做出了世界上第一臺空間冷原子鐘呢？左圖這位就是我們實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人——王育竹院士。

在王院士的帶領(lǐng)下，50年來三代科學(xué)工作者一直在從事原子鐘方面的工作。我們是第一個開始激光冷卻原子實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，第一個做出中國第一臺投入使用的原子鐘的團(tuán)隊(duì)，第一個做出空間冷原子鐘的團(tuán)隊(duì)。

我從2000年進(jìn)入這個團(tuán)隊(duì)，開始做激光冷卻實(shí)驗(yàn)，5年后我們做出了中國第一個玻色-愛因斯坦凝聚體。那候我們的激光冷卻技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，于是開始做空間冷原子鐘。這是我們從一個完全空白的實(shí)驗(yàn)室建起來的空間冷原子鐘的原理樣機(jī)。

這個樣機(jī)占滿了整個實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)原理樣機(jī)做出來以后，我們非常興奮，非常激動，趕緊把整個成果報(bào)了上去，告訴國家，我們已經(jīng)通過了空間冷原子鐘的物理原理實(shí)驗(yàn)。

我記得很清楚，2010年12月，團(tuán)隊(duì)突然接到北京的電話，成員都被召到了北京航天城。在航天城旁邊的一個賓館里，我們開始了封閉學(xué)習(xí)：從早晨9點(diǎn)到晚上9點(diǎn)，一堆專家都在日夜不停地給我們開會，不停地給我們上課。

上什么課？上航天工程課。為什么要上航天工程課？因?yàn)槲覀兪菑氖挛锢硌芯康模亲隹蒲械?，我們每天只會做?shí)驗(yàn)，但現(xiàn)在國家要求我們把這個實(shí)驗(yàn)搬到天上去。

聽完相關(guān)報(bào)告后，我們整個后背都是涼的，汗都下來了。為什么呢？大家看看這兩張對比圖，紫色部分就是當(dāng)時(shí)原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室所占的空間，紅色部分代表“天宮二號”上的冷原子鐘占的空間。

“天宮二號”上還要搭載14個高精度的科學(xué)儀器和載荷，留給冷原子鐘的整體空間大幅縮小了。除了空間要縮小，體重也要控制在70千克以內(nèi)。這簡直是開玩笑！要知道，當(dāng)時(shí)那個原理樣機(jī)有500多千克重。而且，要求整個冷原子鐘的長度不許超過一米，高度不超過半米。

更不可思議的是，冷原子鐘的功率只能有100瓦。100瓦是什么概念？現(xiàn)在一個臺式電腦都有好幾百瓦的功率，一個高速運(yùn)轉(zhuǎn)的微波爐都有1000多瓦的功率。100瓦夠我們干什么？

現(xiàn)在我再來解釋一下什么叫激光冷卻原子。左圖是風(fēng)暴云圖，風(fēng)暴的中心叫風(fēng)暴眼，風(fēng)暴眼的狀態(tài)其實(shí)是非常安靜的，但風(fēng)暴眼外的物體就會受到強(qiáng)大的力量擠壓。

激光冷卻的概念就是要在原子的周圍產(chǎn)生一個場，用激光在原子的周圍產(chǎn)生一個囚禁的牢籠，把原子抓在里面，不讓它出來。然后不斷地冷卻它，不斷地把它的能量進(jìn)行吸收和消化，最后讓原子靜止在里面?？梢韵胂?，這至少要從X、Y、Z三個方向?qū)υ舆M(jìn)行束縛，原子才跑不出去。

好，概念弄清楚了?，F(xiàn)在我們至少需要有六束激光對著原子照，才能把原子抓在里面，不讓它出來。可是，100瓦的能量夠我們干什么？

我們最多只能有兩束激光。一般情況下用六束激光才能完成的事情，現(xiàn)在讓我們只用兩束激光來完成，這根本沒辦法完成?。〉ぷ鞅仨毜酶?。最后我們做出了這樣一套系統(tǒng)。

這套系統(tǒng)就是通過兩束光的多次反射完成的，這樣就不會浪費(fèi)一點(diǎn)點(diǎn)的能量，我們最終做了一個原子的激光囚籠，把原子裝在了里面。這張圖也就是我們的空間冷原子鐘的工作原理圖。

做成空間冷原子鐘到底有多么難呢？

在太空里，我們要讓原子每隔幾秒鐘就被冷卻、囚禁，然后再被拋出去，要讓它沿著一條指定的直線做非常慢的勻速直線運(yùn)動，而且這個運(yùn)動是循環(huán)往復(fù)，經(jīng)年不息。在這個過程中，還要完成各種各樣精密的原子能級操作。做這樣一臺空間冷原子鐘，難度是非常非常大的。

從2010年10月接到任務(wù)，到2016年交出正樣件，這5年是不堪回首的5年。我現(xiàn)在也不大愿意去回憶那時(shí)候的情景，因?yàn)槲覀兠刻於际菑脑绲酵碓趯?shí)驗(yàn)室里面，沒有白天，沒有黑夜，也不知道外面四季的變化。

現(xiàn)在經(jīng)常有人跟我們說“996”、“007”的工作狀態(tài)如何如何，我們基本上都是笑一笑，因?yàn)閺哪莻€時(shí)期走過來的人，對這些已經(jīng)沒有概念了。

當(dāng)時(shí)的我們只有一個愿望，那就是所有人必須要把這件事情做成，做好。這也是我們最大的收獲——當(dāng)一個團(tuán)隊(duì)的所有人目標(biāo)一致的時(shí)候，任何困難都擋不住。

最終，我們完成了所有的測驗(yàn)，經(jīng)過了航天工程所有環(huán)模試驗(yàn)的考驗(yàn)，終于趕在“天宮二號”發(fā)射之前把正樣飛行件交了出來。

空間冷原子鐘發(fā)射成功

2016年的6月，我在酒泉發(fā)射中心親手把我們做的這臺鐘送上了“天宮二號”。當(dāng)時(shí)的那個心情，無法形容。大家可以想象一下，整個團(tuán)隊(duì)10年的心血就在這臺鐘上，而它以后是再也不會回來的。我們對它滿懷著期望，同時(shí)也非常不舍。

這張照片就是“天宮二號”發(fā)射那晚，我的同事在現(xiàn)場用手機(jī)拍下來的。那天是中秋，月亮非常圓，非常漂亮。

當(dāng)時(shí)我在北京的飛控中心，中央人民廣播電臺采訪我，讓我向全國人民說一說世界上第一臺空間冷原子鐘的情況。我提前準(zhǔn)備了很多很多的臺詞，但是當(dāng)話筒打開的一瞬間，我基本上是說不出話的。

我只說了兩個字來概括這臺鐘，一是高，二是冷。它是所有冷原子鐘里，軌道最高的鐘；它是所有高軌原子鐘里溫度最低的原子鐘。我用非常機(jī)械化的語言向全國人民說道：“我們的空間冷原子鐘已經(jīng)一切正常，準(zhǔn)備就緒了?！?/section>

發(fā)射的那晚，其實(shí)我們還非常焦急。因?yàn)榘l(fā)射成功，只代表火箭發(fā)射成功，我們做了這么多年的工作，為的就是讓這臺鐘扛過火箭發(fā)射時(shí)的巨大震動，扛過所有環(huán)境變化帶來的影響。

要知道，在實(shí)驗(yàn)室里的時(shí)候，我們連大聲說話都不敢?？人砸宦?，原子跑掉了；外面汽車經(jīng)過一下，原子跑掉了；隔壁房間的電子儀器一打開，原子跑掉了……我們做了很多工作去解決這一問題。直到“天宮二號”發(fā)射成功后的第三天，我們收到了第一條來自太空的原子譜線，大家的心才放下來。

也就是在那個月，美國的《科學(xué)》雜志給了我們做了一個專題評論，雜志封面上寫道：中國的空間冷原子鐘開始滴答作響，人類地球的計(jì)時(shí)精度將會變得更加精確。

這臺鐘在天上一共運(yùn)行了34個月，直到今年的7月19日晚上21點(diǎn)06分，它才跟著“天宮二號”一起返回地球。當(dāng)然不是正常返回，是自然墜毀的。當(dāng)時(shí)我們還在開玩笑，說要不要跑到南太平洋那兒去把它打撈上來。它在天上的34個月，一直給我們采集各種各樣的數(shù)據(jù)。

從圖中我們可以看到，它每隔90分鐘繞地球一周，軌道高度400千米。它一直在切割磁力線，右圖就是它所感受到的磁場強(qiáng)度圖。這個地磁場已經(jīng)被我們削弱了一萬倍。我們可以看到圖中有一個紅色的圈。

當(dāng)時(shí)看到這個曲線圖的時(shí)候我們就感覺很奇怪，為什么這里跟其他地方不一樣呢？原來，這里對應(yīng)的地方是南大西洋磁場異常區(qū)，也就是百慕大三角區(qū)的附近。所以很有意思，我們可以通過原子的行為看到、測到地球的地磁場。

這臺鐘在天上一共經(jīng)歷了34個月，它的預(yù)定目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)3000萬年誤差1秒，最終它做到了4200萬年誤差1秒。它的一部分在軌實(shí)驗(yàn)成果發(fā)表在了《自然—通訊》雜志上。成果發(fā)表后，我們收到了國際上很多專家的高度評價(jià)。

2017年我去法國參加時(shí)頻大會的時(shí)候，我們項(xiàng)目組是當(dāng)天第一個做報(bào)告的。第二個做報(bào)告的就是剛才提到的法國法老鐘項(xiàng)目組。

那個項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人一上來說的第一句話就是：“很可惜，我們只能給大家匯報(bào)地面上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)了。非常遺憾。”因?yàn)閬碜蕴焐系?、最領(lǐng)先的空間冷原子鐘數(shù)據(jù)已經(jīng)被我們中國人先拿到了。

2018年，美國國家航空航天局破例邀請了中國的科學(xué)家去他們那里做科學(xué)實(shí)驗(yàn)交流。為什么說破例？因?yàn)閺暮茉缫郧?，他們就以國防安全為由，禁止華裔科學(xué)家參與美國的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。國際空間站也從來沒有中國人上去過，更別提有中國的科學(xué)家在上面做過實(shí)驗(yàn)。

但就在2018年，他們不僅邀請我們?nèi)プ隹茖W(xué)交流，同時(shí)邀請我們的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人擔(dān)任2018年國際時(shí)頻大會國際部的主席。

當(dāng)然，更令我們自豪的是，中國自己的空間站即將落戶太空。鑒于現(xiàn)有的國際空間站即將退役，不久的未來，中國的空間站將變成世界上唯一一個空間站。

下一代的空間冷原子鐘目前正在緊張地研發(fā)之中。以此為基礎(chǔ)，我們還建立了很多可搬運(yùn)的地面冷原子鐘，這些也已研究成功。

可以想象，一個全新的冷原子鐘的時(shí)代即將到來。它將會擺脫實(shí)驗(yàn)室的束縛，應(yīng)用到各種更加復(fù)雜、更加需要的環(huán)境中去，為大家服務(wù)。

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