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现有的国际空间站行将退役，中国的空间站在未来可能变成世界上独一的空间站，我们需求借此机遇，让空间冷原子钟为我们采集更多精准的数据。之所以将冷原子钟送上太空，是由于倘若在星间链路里有一个空间冷原子钟，那么就能够将它的超高精度，点对点地传给一切卫星，运用前景十分可观。为什么树立中国空间站少不了空间冷原子钟？把冷原子钟送上天有多难？中国取得了怎样的成就？ 出品：格致论道讲坛 以下内容为中国科学院上海光学精密机械研讨所副研讨员屈求智演讲实录： 首先我问大家一个问题，什么是时间？这个问题听起来似乎很熟习，我们每个人每天都不停地在看时间，但是当有人问你“时间是什么”的时分，可能就不是那么好回答了。 古罗马时期著名的思想家荷马说过：“假如没有人问我这个问题，我想我知道什么是时间；可假如有人一问我，我就什么都不知道了。”爱因斯坦也说过这个问题，当有人问他什么是时间，爱因斯坦说：“空间和时间只是我们人类思索的方式，并不是我们赖以生存的条件。”
这话很深奥。说实话，我也说不分明时间是什么。大家假如有兴味，能够去看一看霍金大神写的那本书——《时间简史》。 时间我说不上来，但是用来丈量时间的是时钟。我倒是能够给大家解释解释。用一句最简单的话来解释时钟，它就是周期运动加一个计数器。
大家看，古时分我们分辨时间，就是看太阳、看月亮、看星星的周期运动。经过它们的位置，我们能够简单地判别时间。我们称这类钟为自然钟。自然钟没有什么精确度可言，大约就是能知道往常是上午、下午还是傍晚。
人类自然不满足于这样的结果，所以在接下去的几百年、上千年，人类发明了很多很多装置来记载时间。这张图中那个记载时间的装置叫什么？ 它就是日晷。这个日晷最近在一部电视剧里可火了，这部电视剧叫《长安十二时辰》。
下面的那个沙漏也是用来记载时辰的。每次把沙漏倒过来，沙子会流到底下；再倒过来，沙子又会反过来流。沙漏有一个特性——能够等量地记载一段时间，而且时间距离基本不变。
但是，这些都还不能称之为时钟。要成为时钟，必须还有一个条件——能够不时地弥补损失的能量。所以，后来人们发明了水钟和各种机器钟摆，应用风能、电能等让这些钟一直不停地运转，我们称这类钟为人造钟。
这是法国一个叫贝桑松的小镇，那里十分小，景色十分漂亮。在那里我看到了这台钟。贝桑松固然面积不大，但却是世界时间频率的中心。每两年一次的世界时频大会都在这个小镇召开，所以那里汇集了人类历史上最精确、最好的一些时钟。 大家看这台钟，这是它的正面和背面。像这样的一台钟，精度就十分高了。它能高到什么水平呢？高到10-8这个量级。换句话说，一年也就误差一两秒。
当然，现代人不可能每家都有一台这样的钟。我们往常都用十分好的机械手表、石英表来计时。
那你们知道机械表和石英表的精度是多少吗？有人说是“秒”。秒，只是它的分辨率，往常好的石英表曾经能够抵达分辨毫秒以下的精度了，用它来计时，日常生活就足够了。 是不是有这样的表就够了呢？我们还需求更精确的时钟吗？
我给大家两个数字：假如一天的计时误差超越千分之一秒，那么通讯网络、交通、金融系统、保险、电网发电等，就会堕入紊乱；假如一天的计时误差超越十亿分之一秒，那么我们的导航定位系统就不能像往常有这么高的精度了。
往常我们的卫星导航定位系统，它的精度大约在3米～10米的范围内动摇。假如我们要中止导弹精确打击，若时间测错了，那导弹直接就不知道打哪儿去了。 用什么样的钟才能够完成这么高精度的时间丈量呢？在20世纪50年代的时分，一位叫拉姆赛的科学家发明了一种神奇的措施，叫分别振荡法。用分别振荡法能够把原子的振荡频率给提取出来，作为计时器的周期运动。 由于原子的振荡频率十分稳定，而且十分快，也就是说，原子的周期运动的时间距离十分十分小，这样能够让分辨的时间距离也十分十分小。
同时，由于原子十分稳定的结构，所以我们能应用它来研制既准又稳的时钟——原子钟。 当有了原子钟以后，人类的科技进步就开端起飞了。而且在过去的几十年里，每10年原子钟的精度都会进步一个数量级。往常，原子钟主要运用在GPS或者北斗上面，好比氢原子钟，还有常见的铯原子钟、铷原子钟，等等。 它们的误差能够抵达数十万年，以至是数百万年误差一秒。但是问题来了，是不是这样就够了呢？往常原子钟的精度能不能无限地再往上面增加呢？ 答案是，很难。由于原子钟的精度在20世纪末曾经抵达了一个瓶颈，基本上到了这个数量级的时分，精度曾经很难进步了。而精度进步最大的限制在于，原子自身的热运动没有措施消弭。 原子的热性运动是什么？原子又是怎样回事？我们往常需求的是优于3000万年误差1秒的空间原子钟，下一代的导航系统也需求更高精度的空间原子钟。
假如我们中止深空探测的反向定位，就是把我们的卫星反过来朝向太空，去中止太空定位的时分，大家想象一下，往常的这种10米、3米的精度够不够？ 我打个好比，我们想坐宇宙飞船去太阳系最边上的冥王星，假如用往常的导航系统中止定位，可能永远也到不了冥王星，由于误差真实是太大了。 中止深空导航，必须求有优于3000万年误差1秒的原子钟才行。怎样样才干得到更高精度的原子钟呢？在电影《复仇者联盟》中，灭霸手指一打，蜘蛛侠就灰飞烟灭了。
当蜘蛛侠变成小黑点的时分，我就在想，那一共有多少个小黑点呢？有没有人知道大约的数量级？假如以一个60千克重量的普通成人计算，那将有2.4×1027个原子。 原子究竟是什么？原子是组成人体最基本的单位，最基本的粒子。但是原子有一个特性，那就是化学攻击对它没有伤害。换句话说，假如我们把化学攻击称之为魔法的话，那原子对魔法攻击是免疫的。 什么东西对原子会构成伤害呢？对，物理攻击。那什么样的武器能够攻击原子呢？答案是激光。而最近30年，科学家们就发明了用激光来冷却原子的措施。 以前正在上大学的我也搞不懂什么是激光冷却，只是在查文献的时分忽然查到了激光冷却这一概念。由于当时我很猎奇，所以就看了一下。文献中说，激光冷却能够把原子冷却到绝对零度。 绝对零度这个概念我只在小时分看一部动画片的时分听说过，印象还挺深化。可能年龄跟我差未几的人都看过这部动画片——《圣斗士星矢》。片里有一个圣斗士叫冰河，冰河升级到最后，能够做到一拳打出钻石星斗拳，把他的师傅给冻住，那一拳就叫绝对零度。 什么是绝对零度？绝对零度能把原子都冻住。我们知道，零度会让水结成冰，变成固体；零下200℃的时分，空气会结成冰，变成固体；零下273.15℃的时分，原子就会静止不动，被冻住，这个温度就叫绝对零度。 2000年毕业后，我就来到了中国科学院上海光学精密机械研讨所。由于当时我查到，全中国只需上海光机所在展开激光冷却的实验，所以我就跑过来了。这一来不要紧，我一头扎进冷原子的世界就是20年。 用冷原子能够大幅度进步原子钟的精度。但怎样样用这个原子钟呢？大家看这张图，这是星间链路图。
从图中我们能够看到北斗的星载原子钟和其他导航系统的星载原子钟，假如在这个星间链路里有一个空间冷原子钟，那就不得了了。这个空间冷原子钟能够将它的超高精度，直接点对点地传给一切卫星。 大家知道，往常卫星上的原子钟要靠不时地跟空中上的冷原子钟中止比对，才能够取得相应的精度。但由于天地之距离着大气层，云层的变更和电离层的变更都会招致比对过程中产生动摇。 假如在天上就有一个高精度的基准，那一切原子钟的精度不就直接进步了吗？所以冷原子钟的运用前景是十分可观的。 假如我们完成了这个愿景，就能够把往常导航系统的定位精度从10米降到米以下，以至到厘米、毫米以下。那个时分，无人驾驶、智能汽车就能够真正完成大范围应用了。不外要把冷原子钟送上天，十分艰难。
冷原子钟技术十分复杂，往常，全世界只需兴隆国度的十几个国度级实验室具有冷原子钟技术。大家都希望把这样一台冷原子钟送上太空。 从1997年开端，欧洲空间局（ESA）就开端了他们的空间冷原子钟计划，他们管这台钟叫法老钟，这台钟曾经研制20多年了，还没有被发射胜利。1999年美国航天局（NASA）也启动了相似项目。 中国当然不会落后，由于我们的科学家认识到，在这个范畴我们绝对不能落后。2005年的时分，我们开端了中国自己的空间冷原子钟研制计划。 结果如何呢？到往常，ESA和NASA还没有完成目的，但中国在2016年的时分就完成了。这就是“天宫二号”空间冷原子钟的由来。
那么，是一个什么样的研制团体做出了世界上第一台空间冷原子钟呢？左图这位就是我们实验室的开创人——王育竹院士。
在王院士的带领下，50年来三代科学工作者不时在从事原子钟方面的工作。我们是第一个开端激光冷却原子实验的团队，第一个做出中国第一台投入运用的原子钟的团队，第一个做出空间冷原子钟的团队。 我从2000年进入这个团队，开端做激光冷却实验，5年后我们做出了中国第一个玻色-爱因斯坦凝聚体。那时分我们的激光冷却技术曾经十分红熟了，于是开端做空间冷原子钟。这是我们从一个完整空白的实验室建起来的空间冷原子钟的原理样机。
这个样机占满了整个实验室。当时原理样机做出来以后，我们十分兴奋，十分激动，赶紧把整个成果报了上去，通知国度，我们曾经经过了空间冷原子钟的物理原理实验。 我记得很分明，2010年12月，团队忽然接到北京的电话，成员都被召到了北京航天城。在航天城旁边的一个宾馆里，我们开端了封锁学习：从早晨9点到晚上9点，一堆专家都在日夜不停地给我们开会，不停地给我们上课。 上什么课？上航天工程课。为什么要上航天工程课？由于我们是从事物理研讨的，是做科研的，我们每天只会做实验，但往常国度请求我们把这个实验搬到天上去。 听完相关讲演后，我们整个后背都是凉的，汗都下来了。为什么呢？大家看看这两张对比图，紫色部分就是当时原理样机在实验室所占的空间，红色部分代表“天宫二号”上的冷原子钟占的空间。
“天宫二号”上还要搭载14个高精度的科学仪器和载荷，留给冷原子钟的整体空间大幅减少了。除了空间要减少，体重也要控制在70千克以内。这简直是开玩笑！要知道，当时那个原理样机有500多千克重。而且，请求整个冷原子钟的长度不许超越一米，高度不超越半米。 更不可思议的是，冷原子钟的功率只能有100瓦。100瓦是什么概念？往常一个台式电脑都有好几百瓦的功率，一个满负荷运转的微波炉都有1000多瓦的功率。100瓦够我们干什么？ 往常我再来解释一下什么叫激光冷却原子。左图是风暴云图，风暴的中心叫风暴眼，风暴眼的状态其实是十分宁静的，但风暴眼外的物体就会遭到强大的力气挤压。
激光冷却的概念就是要在原子的周围产生一个场，用激光在原子的周围产生一个囚禁的牢笼，把原子抓在里面，不让它出来。然后不时地冷却它，不时地把它的能量中止吸收和消化，最后让原子静止在里面。能够想象，这至少要从X、Y、Z三个方向对原子中止约束，原子才跑不进来。 好，概念弄分明了。往常我们至少需求有六束激光对着原子照，才干把原子抓在里面，不让它出来。可是，100瓦的能量够我们干什么？ 我们最多只能有两束激光。普通状况下用六束激光才干完成的事情，往常让我们只用两束激光来完成，这基本没措施完成啊！但工作必须得干。最后我们做出了这样一套系统。 这套系统就是经过两束光的多次反射完成的，这样就不会糜费一点点的能量，我们最终做了一个原子的激光囚笼，把原子装在了里面。这张图也就是我们的空间冷原子钟的工作原理图。
做成空间冷原子钟到底有多么难呢？ 在太空里，我们要让原子每隔几秒钟就被冷却、囚禁，然后再被抛进来，要让它沿着一条指定的直线做十分慢的匀速直线运动，而且这个运动是循环往复，经年不息。在这个过程中，还要完成各种各样精密的原子能级操作。做这样一台空间冷原子钟，难度是十分十分大的。 从2010年10月接到任务，到2016年交出正样件，这5年是不堪回首的5年。我往常也不大愿意去回想那时分的情形，由于我们每天都是从早到晚在实验室里面，没有白天，没有黑夜，也不知道外面四季的变更。
往常经常有人跟我们说“996”、“007”的工作状态如何如何，我们基本上都是笑一笑，由于从那个时期走过来的人，对这些曾经没有概念了。 当时的我们只需一个愿望，那就是一切人必须求把这件事情做成，做好。这也是我们最大的收获——当一个团队的一切人目的分歧的时分，任何艰难都挡不住。
最终，我们完成了一切的检验，经过了航天工程一切环模实验的考验，终于赶在“天宫二号”发射之前把正样飞行件交了出来。 2016年的6月，我在酒泉发射中心亲手把我们做的这台钟送上了“天宫二号”。当时的那个心情，无法形容。大家能够想象一下，整个团队10年的心血就在这台钟上，而它以后是再也不会回来的。我们对它满怀着希冀，同时也十分不舍。 这张照片就是“天宫二号”发射那晚，我的同事在现场用手机拍下来的。那天是中秋，月亮十分圆，十分漂亮。
当时我在北京的飞控中心，中央人民广播电台采访我，让我向全国人民说一说世界上第一台空间冷原子钟的状况。我提早准备了很多很多的台词，但是当话筒翻开的一瞬间，我基本上是说不出话的。 我只说了两个字来概括这台钟，一是高，二是冷。它是一切冷原子钟里，轨道最高的钟；它是一切高轨原子钟里温度最低的原子钟。我用十分机械化的言语向全国人民说道：“我们的空间冷原子钟曾经一切正常，准备就绪了。”
发射的那晚，其实我们还十分着急。由于发射胜利，只代表火箭发射胜利，我们做了这么多年的工作，为的就是让这台钟扛过火箭发射时的庞大震动，扛过一切环境变更带来的影响。 要知道，在实验室里的时分，我们连大声说话都不敢。咳嗽一声，原子跑掉了；外面汽车经过一下，原子跑掉了；隔壁房间的电子仪器一翻开，原子跑掉了……我们做了很多工作去处置这一问题。直到“天宫二号”发射胜利后的第三天，我们收到了第一条来自太空的原子谱线，大家的心才放下来。 也就是在那个月，美国的《科学》杂志给我们做了一个专题评论，杂志封面上写道：中国的空间冷原子钟开端滴答作响，人类地球的计时精度将会变得愈加精确。 这台钟在天上一共运转了34个月，直到2019年的7月19日晚上21点06分，它才跟着“天宫二号”一同返回地球。当然不是正常返回，是自然坠毁的。当时我们还在开玩笑，说要不要跑到南安定洋那儿去把它打捞上来。它在天上的34个月，不时给我们采集各种各样的数据。 从图中我们能够看到，它每隔90分钟绕地球一周，轨道高度400千米。它不时在切割磁力线，右图就是它所感遭到的磁场强度图。这个地磁场曾经被我们削弱了一万倍。我们能够看到图中有一个红色的圈。 当时看到这个曲线图的时分我们就觉得很奇特，为什么这里跟其他中央不一样呢？原来，这里对应的中央是南大西洋磁场异常区。所以很有意义，我们能够经过原子的行为看到、测到地球的地磁场。
这台钟在天上一共阅历了34个月，它的预定目的是完成3000万年误差1秒，最终它做到了4200万年误差1秒。它的一部分在轨实验成果发表在了《自然—通讯》杂志上。成果发表后，我们收到了国际上很多专家的高度评价。
2017年我去法国参与时频大会的时分，我们项目组是当天第一个做讲演的。第二个做讲演的就是刚才提到的法国法老钟项目组。 那个项目的担任人一上来说的第一句话就是：“很可惜，我们只能给大家汇报空中上的实验数据了。十分遗憾。”由于来自天上的、最抢先的空间冷原子钟数据曾经被我们中国人先拿到了。
2018年，美国航天局破例约请了中国的科学家去他们那里做科学实验交流。为什么说破例？由于从很早以前，他们就以国防保险为由，遏止华裔科学家参与美国的科学实验。国际空间站也历来没有中国人上去过，更别提有中国的科学家在上面做过实验。 但就在2018年，他们不只约请我们去做科学交流，同时约请我们的项目担任人担任2018年国际时频大会国际部的主席。 当然，更令我们自豪的是，中国自己的空间站行将落户太空。鉴于现有的国际空间站行将退役，不久的未来，中国的空间站将变成世界上唯逐一个空间站。
下一代的空间冷原子钟目前正在慌张地研发之中。以此为基础，我们还树立了很多可搬运的空中冷原子钟，这些也已研讨胜利。
能够想象，一个全新的冷原子钟的时期行将到来。它将会解脱实验室的约束，应用到各种愈加复杂、愈加需求的环境中去，为大家效劳。 “格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局分离主办，中国科普博览承办。努力于特殊思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的肉体讨论科技、教育、生活、未来的展开。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks），转载请注明公众号出处，未经受权不得转载。 |
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