从宇宙诞生到现在，误差不超过1秒，冷原子钟是什么神器？

导读

从宇宙诞生到现在，误差不超过1秒，冷原子钟是什么神器？

本文是2020年11月29日观视频“答案”年终秀圆桌论坛“凝望地球——从宇宙的角度回望中国与世界”的嘉宾对话文稿系列第四集。

第一集见《中国芯片没有用？并不！一半政府单位已经用上了 | 科技袁人》

第二集见《美国：中国太小搞不了载人航天 中国：专治不服 | 科技袁人》

第三集见《如何观测宇宙诞生前的宇宙？或许得靠量子力学 | 科技袁人》

精彩呈现：

【第四集】

林宝军（中国科学院微小卫星创新研究院副院长、北斗三号卫星总设计师）：另外正好两位科学家在我还有一个问题其实也一直困惑，我们也许带着大家只要学过物理的人可能都知道，一般我们在热力学定律的时候，有个是熵增定理。

什么意思？就是孤立系统的熵是只能增加不能减少，但是我认为宇宙的现象很神奇，其实宇宙包括他们讲的星系等等，越来越有规律，天体是有规律的运转。比如说这几个行星绕着太阳转等等，我认为这个过程其实从无序到有序的过程。

无序到有序是什么概念？就是熵减的过程才是无序。熵增的意思就是从有序变成无序，自然界又变成了熵减的过程，这跟热力学那些定律到底怎么解释？二位能不能给我解释一下？

袁岚峰（《科技袁人》主讲人、中国科学技术大学副研究员）：我倒是有个一句话解释，就是说在宇宙这个尺度上，热学第二定律肯定还是成立的，实际上它熵还是在增大的，但是因为有人在膨胀，所以它整个体系能够包含的熵是在飞快的增大，所以它能够容纳的熵也越来越大，所以我们并没有违反热力学第二定律，实际上我们是在局部出现有序现象，但是在整体上它的熵还是变得更大了。

林宝军：是局部熵减，但整体还是熵增的。

袁岚峰：是的是的。

林宝军：解释得了。

袁岚峰：而且有一个跟非常相关的人是普里高津，他是一个诺贝尔化学奖的得主，他提出了耗散理论，耗散结构理论。实际上他也是我们昨天出场那位陈平老师的博士导师。陈平他是跟着普里高津去学了耗散结构理论，但是不去研究化学而去研究的经济学，它变成一个经济学家。但是这个耗散结构理论就是说如果一个系统是远离平衡态离得足够远，它就有可能自发地产生一些有序结构，但它自己是变得更有序了，但那个代价就是环境变得更无序了，然后整体的熵还是增加了。

但是这个理论的好处就在于你可以解释世界上为什么会自发的出现一些有序的结果。最典型的就是生命了，演化的演化就最后居然演化出生命，但是我们生命是以消耗更大范围的负熵为代价的，所以整体的熵还是增加的。

蔡一夫（中国科学技术大学天文学系教授）：其实说在我们宇宙的演化结构，也是在我的演讲里面也是一句话的一笔带过了，我们为什么会看到这些红红蓝蓝的这些斑点？

我不知道在座的观众们有没有人知道这个原因，或者说他给我们今天的宇宙带来了什么样子的效应？有没有人知道？

我们知道我们的宇宙有打比方我们银河系有上千亿颗恒星是吧？然后我们宇宙中可能有上千亿个像我们这样的银河系的这种星系，这大概是这么一个估算的规模。

所以可以想象一下，我们宇宙中充满着各种各样的这种结构，这些就是星系的这些结构，而这一结构大家很自然的会去问一个问题，它是怎么来的，它从哪里来？

那么我会告诉你们，这些星系的结构最早就会追溯到这一张红红蓝蓝的这些照片上的这些斑点，因为这就是这么一丢丢的温差，我会告诉大家这温差是多大，今天的宇宙的温度平均的温度是2.725开尔文，大概是冰是273开尔文，对吧？也就是冰点下面大概是-270度，大概是这么一个温度，是我们的宇宙的平均温度。

在平均温度的上面，大约有10^(-5) 到10^(-6) 开尔文的温差，这个就是宇宙微波背景辐射所看到的温差。虽然说温差比起它的背景是小数点后5~6位了，但是就这么一定这么一丁点的这种5~6位的这种差距，最终的就诱生了我们今天所看到的这些结构的生成。

所以我们的确在一些局部范围，比如说像银河系它的形成它有大概是4个悬臂是吧？我们生活在猎户臂是吧？然后恰好又生长出来了一个其实在太阳系这样子的星系在猎户臂当中也是比比皆是了。正好有那么一个太阳系生成了，然后太阳系它太阳它又不是特别热，也不是特别凉是吧？于是在这个地方又形成了一些行星的系统，其中有那么一个行星，它也不是那么远，也不是那么近，恰好就是我们的地球，而在地球上恰好就有这么一些智慧生命的诞生，就是自己就是我们人类。

我们可能生活在一个四旋臂的旋涡星系（银河系）中，它具有一个明亮且对称的中心棒。| 图片来源：XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/ Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration)

银河系结构图：利用多台射电望远镜，天文学家对银河系进行了数千小时的观测，测量了一些天体结构之间的距离。图是有史以来最好的银河系结构鸟瞰图。数据展示了围绕银河系中心的四个主要的旋臂结构。我们的太阳（天文学家将其视为四象限测绘坐标的中心）会围绕银河系运转，环绕一周大概需要2.12亿年。靠近太阳轨道的地方，有一条较小的旋臂（蓝色）。未来，使用南半球上的射电望远镜开展的研究可能会揭示出第四象限中大部分目前未直接观测到的其他结构。|制图：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）

这是一个高度无序到有序的一个形成过程。但是大家可以想象这么一个过程的背后的代价是由大量的那么多无用的太阳系或者是恒星系的这种诞生所换来的代价。

林宝军：你刚才说到接近绝对零度，我再跟大家讲一个故事。其实要达到绝对零度有很多办法，其实我们科学家想了一个办法是什么呢？用激光组成一个网，其实温度是什么，温度表征分子热运动的状态，让分子聚到这堆里让它动不了，只要碰到这个激光就弹回去之后，它就在这个圈里，就利用这个原理就接近了绝对零度，我们现在就利用接近零度这个状态，我们制造了冷原子钟，这个冷原子钟比我今天讲的氢原子钟精度还要好，好的而且很多。在这种原理我们在天宫二号上已经上了天，取得了很好的结果。

我高兴地告诉大家，我们明年要打到北斗卫星上，我就要把这个激光冷原子钟也上去，这个上去能好到哪呢？原来我说的铷钟，因为它漂移比较差，它不但长（期）稳（定）比较差，漂移比较差，大概我们1个小时，1~2个小时就得注入一次。但我们氢钟比它好一两个量级，它一两个小时注一次，我1~2天注一次就行。这个激光冷原子钟现在可以到什么程度呢？30年我注一次数据的结果，就和我这1~2个小时注一次的结果差不多，所以说我这个打上去之后，把时间校一次之后，它就不用再动，这个时间就是一个绝对很准确的时间了，所以说我们的时间又能跨的一步。所以我们在制高点技术上来讲，也许在不远的明年我们又能跨一个大的台阶，所以说就刚才说的接近绝对零度这种东西，我又给大家讲一个故事就是说，其实现在很多的自然现象我们都可以利用为人类服务。

袁岚峰：我可以最后来注释一下，李老师刚才提到冷原子钟这个事情，实际上在这方面中国现在是最先进的，而且我们不久就要发射一个，就是用在我们北斗系统上，它会达到精度是从宇宙诞生到现在就是138亿年的时间误差不超过一秒，这是现在人类最先进的一个钟，这个就是用量子精密测量技术打造的。

所以就当你把量子力学用过来，就会产生这样的效果。还有刚才蔡老师说到银河系有4条悬臂，大家觉得这个知识是什么时候发现的？其实是今年（2020年），是几个月之前，刚刚公布了是中国跟美国的一群科学家在合作发现的。所以你看，看起来一个好像非常初级的知识，实际上也是我们在最近才刚刚发现的，可见我们正身处在科技进步的大潮当中。