人类计时器的“天花板”，数十亿年只误差1秒！揭秘太空中最精准的钟

去年十月，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。随后，“梦天”实验舱的8个科学实验柜陆续加电开机，开始在轨测试。

“梦天”实验舱是中国空间站中承担精密物理实验任务的实验舱。我们知道，越精密的物理实验，对时间精度的要求就越高。为此，“梦天”实验舱搭载了世界上第一套空间冷原子钟组，这也是太空中最精准的时间频率系统，其精准度可达到约50亿年误差1秒！

原子钟究竟是怎样的钟？它为什么可以提供这么精确的时间呢？接下来，让我们一起来了解原子钟的原理和应用吧！

原子钟的大作用

随着科学的进步，人们发现石英钟（原子钟发明前最精确的计时器）的精度不足以支撑科学研究的需要。现代物理学的支柱是相对论和量子力学，在宏观尺度下，它们与牛顿力学的结论几乎无差。也就是说，我们在宏观世界里感知不到牛顿力学和相对论、量子力学的区别。然而，相对论与牛顿力学的差异在小数点后15 位就显现出来了，这依靠石英钟是根本测不出来的。根据爱因斯坦的广义相对论，引力会扭曲空间和时间，也会导致时间膨胀。按照这一理论，珠穆朗玛峰顶部的时间要比海平面的时间平均8 万多年快1 秒。这已经远远超过了石英钟的测量精度。

我们都知道，中国自行研制了“北斗”卫星导航系统，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。卫星导航的定位，是依靠电磁波传输信号来实现的。电磁波在真空中传播的速度约为3×108 米/ 秒，这个速度乘以信号传播的时间，就是信号所走的路程。由于这速度实在是太快了，授时钟1 秒的误差都将导致地面定位30万千米的偏差！因此，对于全球卫星定位系统来说，要想提供足够精准的导航服务，就要有足够精准的钟。我们要介绍的原子钟，正能实现这种高精度的计时，它也就成为全球卫星定位的制高点技术。

“梦天”实验舱装载的高精度时频实验柜（一）

“秒”的定义

想了解原子钟的计时原理，就要先了解时间单位“秒”的定义。现行国际单位制使用的是在1967 年召开的第13 届国际度量衡大会上对“秒”的定义，即铯-133 原子非扰动基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波周期的9 192 631 770 倍的时间。

我们知道，物质的基本组成单位是原子，原子又是由原子核和电子组成的。依据波尔模型，原子中的电子绕原子核运动，且只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这就是“能级”。电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收了特定频率的电磁波，可以从低能级跃迁到高能级；电子从高能级跃迁到低能级，也可以辐射出特定频率的电磁波。跃迁过程中，电子吸收或辐射出的电磁波的频率，与跃迁能级间的能级差是一一对应的，所以铯-133 原子非扰动基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波的频率和周期也是固定的。物理学家规定，这种固定周期的9 192 631 770 倍的时间就是“秒”。

“梦天”实验舱装载的高精度时频实验柜（二）

原子钟的原理

知道了“秒”的定义之后，原子钟的原理就更容易理解了。

大家都使用过收音机吧，原子钟的工作原理其实就和大家使用收音机的过程一样。假设我们想收听一个频率为100MHz 的电台，我们要先将频率调到100MHz左右。当频率接近100MHz 的时候，收音机里就会传来一些模糊的声音。如果此前的频率小于100MHz，那我们在将频率调大的过程中就能发现接收到的声音越来越清晰了；如果此前的频率大于100MHz，那我们在将频率调小的过程中也能发现接收到的声音越来越清晰了。在调大、调小的过程中调制的频率越来越接近100MHz，当接收到的声音最清晰时，那个频率就刚刚好是我们想要的100MHz。

在原子钟里，也有一个类似调频的过程。首先，我们利用第一个选态磁铁，从大量处于两个超精细能级的铯原子中筛选出处于较低能级的那部分。接着，这些原子在准直器的作用下，形成原子束，彼此之间没有碰撞地通过微波谐振腔。微波谐振腔会辐射频率接近9 192 631 770Hz 的电磁波，在电磁波的作用下，通过微波谐振腔的部分原子将从低能级跃迁至高能级。当原子通过微波谐振腔后，第二个选态磁铁会将高能级的原子和低能级的原子分开，检测器会检测出高能级的原子数。微波谐振腔中电磁波的频率越接近9 192 631 770Hz，跃迁至高能级的原子就越多，检测器检测到的高能级的原子数就越多。当检测到处于高能级的原子数达到最多的时候，微波谐振腔中电磁波的频率就正好是9 192 631 770Hz，我们就可以把控制微波谐振腔的时频信号作为我们计时的标准。

原子钟就像是物理学家手中的收音机一样，大家要是能理解收音机的原理，就一定能理解原子钟的原理。

原子在两个能级间跃迁

它为什么是最精密的计时装置

为什么原子钟能做到约50 亿年只误差1 秒呢？这就要从计时的原理说起了。

计时就是测量某种周期运动发生的次数，时间单位就是对特定周期运动发生次数的一种规范。古人把一根棍子插在地上，观察日出到日落棍影位置的周期变化，然后根据一天中影子的不同位置来标记一天中的时间，这种钟表就叫作“日晷”。在计时技术的发展过程中，人们还用流水和流沙来测量流逝的时间，造出了水钟和沙漏。日晷、水钟和沙漏的运动周期都是不稳定的，受季节、温度、摩擦力等因素的影响很大。这导致周期运动的周期和频率不确定，计时自然也就不准确。后来，人们发明了更稳定的机械钟表，它们受摩擦力等因素影响较小，并且由于它们的运动频率很大，这种误差就被大大缩小了。一个1 小时运动1 万次的机械钟表，会计机械钟表周期运动1 万次的时间为1 小时。也就是说，如果计数时少计了1 次，那么计时上只会慢一万分之一小时。现在较好的机械钟表，在一天中运行的误差也就在十几秒。

后来，人们又制作出了更加精准的石英钟。石英钟依托的是石英晶体在电流作用下的振荡周期运动，这种运动在1 秒钟内可以发生32 768次。相比于机械钟表，石英钟的周期更为稳定，计时也更加准确。普通的石英钟运行一天，误差都不会超过2 秒。

石英钟之后，原子钟也被发明出来了。原子钟依托的是原子在能级间跃迁发射出的电磁波的周期运动，这种周期运动的频率非常稳定，不会因受到外界的影响而发生变化，是最适合用于计时的周期运动。在1秒钟内，铯原子钟可以运动91 亿次，锶原子钟可以运动430 万亿次，镱原子钟可以运动518 万亿次。因此，“梦天”实验舱中的空间冷原子钟组的精度才可以达到约50 亿年误差1 秒！

综上所述，原子钟这么精确的原因大致可以分为两点：一是周期运动的稳定性，原子钟之外的周期运动都很容易受到外界因素的影响；二是周期运动的频率高，原子钟在1 秒内可以发生的周期运动都是数以亿计的，远远超过其他计时器的周期运动。

文/南京信息工程大学教授、博导刘玉柱 南京信息工程大学 翟若宇