25號宇宙實驗真實事件（時間實驗室即將發射）

2023-11-05 15:47:12

中國空間站正在擴建，「夢天」實驗艙將搭載三種冷原子鐘，打造世界上第一個太空時間實驗室，這是人類最精準的時鐘，運行3億年誤差僅1秒。那麼冷原子鐘到底是什麼？精度這麼高，對中國有什麼意義呢？

2016年9月，中國天宮二號空間實驗室成功發射，上面搭載了人類歷史上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

空間冷原子鐘

這個鐘沒有鐘擺，也沒有秒針「滴答」，「長相」也很奇怪，是一個黑色圓柱體，看起來根本不像鍾。它對時間的測量，是基於原子物理，而且跟一般的原子鐘也不一樣，多了個「冷」字，應用的是更先進的冷原子物理技術

如果說機械錶1天差不多有1秒誤差，石英表10天大概有1秒誤差，氫原子鐘一百萬年有1秒誤差，那麼冷原子鐘可以做到3000萬年才1秒誤差。

這是怎麼做到的呢？簡單說，就是在太空失重環境下，用雷射給原子降溫，降到接近絕對零度，讓原子的速度變得非常慢，做一種超慢速勻速直線運動。

這時候，處於純量子基態上的原子，經過一個環形微波力場作用，產生量子疊加態，然後用探測器測量兩種量子態的原子數量比例，再經過一些換算，就可以得到一個高精度的時間頻率標準信號。

聽起來有點複雜，但網上有一句玩笑話「遇事不決、量子力學」，其實這句話有它的道理，大家只需要知道，這種冷原子鐘，就是利用量子力學來給時間下定義，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，時間精度可以再提高一個數量級，3億年才1秒誤差，做到最高精度的授時。

把時間的精度做到這麼高，有什麼用呢？用處非常多，我們今天只聊聊其中最有代表性的兩個：星際導航、大尺度的時空研究。

先說星際導航，舉個例子，我們都用過導航軟體，從出發到目的地，衛星要先給你精確定位，才能算出導航路線，但是如果衛星的時鐘不準確，每一分鐘都有一毫秒誤差，那麼在上萬公裡的尺度上，誤差積少成多，可能你要去上海，結果給你導航到杭州去了。

所以說，高精度的時間，是導航系統的核心技術之一。目前，人類的衛星導航系統，只能用來地球表面的導航，還有近地空間的導航，一旦把尺度放大到整個太陽系，動不動就是幾億公裡的距離、幾個月的飛行時間，一點點誤差就會劇烈放大。

雖然現在人類的探測器，比如旅行者1號和2號，已經飛出了太陽系，但是導航都是很粗略的，對探測器來說足夠，但如果以後人類要搞太空開發，比如開採小行星上面的礦石，那這個導航精度就可能不夠了。

只有把時鐘的精度提高了，人類才有可能建立星際導航系統，實現在太陽系範圍內的大規模經濟開發活動。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，就是為星際導航鋪路的頂級技術之一。中國科學家說過，要在本世紀，讓中國人足跡抵達太陽系邊緣，相信這個目標一定會實現。

再說時空研究，冷原子鐘技術可能會給人類帶來更多的收穫。比如，如果在太陽系的各個拉格朗日點，也就是引力平衡點，都放上一臺冷原子鐘，就像是「時間定位點」一樣，那麼就可以進行大尺度的時空研究，可以驗證廣義相對論在大尺度範圍內是否成立，測量引力波，探測暗物質。我們現在對宇宙的了解還太少，說不定冷原子鐘能讓人類探測到時空的細微變化，發現宇宙的更多真相。