中國(guó)空間站正在擴(kuò)建，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙將搭載三種冷原子鐘，打造世界上第一個(gè)太空時(shí)間實(shí)驗(yàn)室，這是人類最精準(zhǔn)的時(shí)鐘，運(yùn)行3億年誤差僅1秒。那么冷原子鐘到底是什么？精度這么高，對(duì)中國(guó)有什么意義呢？
冷原子鐘是什么？
2016年9月，中國(guó)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射，上面搭載了人類歷史上第一臺(tái)在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘。
空間冷原子鐘
這個(gè)鐘沒有鐘擺，也沒有秒針“滴答”，“長(zhǎng)相”也很奇怪，是一個(gè)黑色圓柱體，看起來(lái)根本不像鐘。它對(duì)時(shí)間的測(cè)量，是基于原子物理，而且跟一般的原子鐘也不一樣，多了個(gè)“冷”字，應(yīng)用的是更先進(jìn)的冷原子物理技術(shù)
如果說(shuō)機(jī)械表1天差不多有1秒誤差，石英表10天大概有1秒誤差，氫原子鐘一百萬(wàn)年有1秒誤差，那么冷原子鐘可以做到3000萬(wàn)年才1秒誤差。
這是怎么做到的呢？簡(jiǎn)單說(shuō)，就是在太空失重環(huán)境下，用激光給原子降溫，降到接近絕對(duì)零度，讓原子的速度變得非常慢，做一種超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)。
這時(shí)候，處于純量子基態(tài)上的原子，經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)形微波力場(chǎng)作用，產(chǎn)生量子疊加態(tài)，然后用探測(cè)器測(cè)量?jī)煞N量子態(tài)的原子數(shù)量比例，再經(jīng)過(guò)一些換算，就可以得到一個(gè)高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
聽起來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜，但網(wǎng)上有一句玩笑話“遇事不決、量子力學(xué)”，其實(shí)這句話有它的道理，大家只需要知道，這種冷原子鐘，就是利用量子力學(xué)來(lái)給時(shí)間下定義，所以是最精確的。在太空中，冷原子鐘可以避免地球重力影響，時(shí)間精度可以再提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，3億年才1秒誤差，做到最高精度的授時(shí)。
高精度授時(shí)有什么作用？
把時(shí)間的精度做到這么高，有什么用呢？用處非常多，我們今天只聊聊其中最有代表性的兩個(gè)：星際導(dǎo)航、大尺度的時(shí)空研究。
先說(shuō)星際導(dǎo)航，舉個(gè)例子，我們都用過(guò)導(dǎo)航軟件，從出發(fā)到目的地，衛(wèi)星要先給你精確定位，才能算出導(dǎo)航路線，但是如果衛(wèi)星的時(shí)鐘不準(zhǔn)確，每一分鐘都有一毫秒誤差，那么在上萬(wàn)公里的尺度上，誤差積少成多，可能你要去上海，結(jié)果給你導(dǎo)航到杭州去了。
所以說(shuō)，高精度的時(shí)間，是導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前，人類的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，只能用來(lái)地球表面的導(dǎo)航，還有近地空間的導(dǎo)航，一旦把尺度放大到整個(gè)太陽(yáng)系，動(dòng)不動(dòng)就是幾億公里的距離、幾個(gè)月的飛行時(shí)間，一點(diǎn)點(diǎn)誤差就會(huì)劇烈放大。
雖然現(xiàn)在人類的探測(cè)器，比如旅行者1號(hào)和2號(hào)，已經(jīng)飛出了太陽(yáng)系，但是導(dǎo)航都是很粗略的，對(duì)探測(cè)器來(lái)說(shuō)足夠，但如果以后人類要搞太空開發(fā)，比如開采小行星上面的礦石，那這個(gè)導(dǎo)航精度就可能不夠了。
只有把時(shí)鐘的精度提高了，人類才有可能建立星際導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)系范圍內(nèi)的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)。雖然目前人類只登陸了月球，但我們遲早要登陸火星，甚至登陸其他行星，冷原子鐘技術(shù)，就是為星際導(dǎo)航鋪路的頂級(jí)技術(shù)之一。中國(guó)科學(xué)家說(shuō)過(guò)，要在本世紀(jì)，讓中國(guó)人足跡抵達(dá)太陽(yáng)系邊緣，相信這個(gè)目標(biāo)一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。
再說(shuō)時(shí)空研究，冷原子鐘技術(shù)可能會(huì)給人類帶來(lái)更多的收獲。比如，如果在太陽(yáng)系的各個(gè)拉格朗日點(diǎn)，也就是引力平衡點(diǎn)，都放上一臺(tái)冷原子鐘，就像是“時(shí)間定位點(diǎn)”一樣，那么就可以進(jìn)行大尺度的時(shí)空研究，可以驗(yàn)證廣義相對(duì)論在大尺度范圍內(nèi)是否成立，測(cè)量引力波，探測(cè)暗物質(zhì)。我們現(xiàn)在對(duì)宇宙的了解還太少，說(shuō)不定冷原子鐘能讓人類探測(cè)到時(shí)空的細(xì)微變化，發(fā)現(xiàn)宇宙的更多真相。
