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导语：昨年10月万众防御的“梦天”执行舱到手放射，“梦天”搭载了寰球首套空间冷原子钟组。它的精确度高得惊东谈主，不错在数亿年时分里限制误差在1秒以内，到手冲突了寰球记录。它到底是如何责任的？时分和定位精度之间若何会有忖度？

一、“梦天”空间冷原子钟组寰球最准

如今导弹的制导，很少能绕开相同东西——卫星定位。按北斗工程总设想师孙家栋院士的说法：作念不出原子钟，“北斗”系统就建不行。

“北斗”系统定位的中枢旨趣是愚弄多个卫星组网并谈判距离（由信号收受时分差乘以电磁波的光速赢得）来笃定物体在地球上的位置，这种算法的精度主要取决于授时精度和卫星之间的时分对王人进度。

空间原子钟被誉为导航卫星的“腹黑”，径直决定了导航定位精度。它能为导航系统提供具备超高相识性的时分频率基准信号，更好地笃定互相之间的距离，径直决定了导航系统的定位、测速和授时精度。导航系统的精度究竟能达到米级、分米级、照旧厘米级，很猛进度上依赖于空间原子钟的性能。

当作“玉阙”空间站的二号执行舱，“梦天”执行舱要由8个执行柜组成。当作空间站中最复杂的执行柜，高精度时频执行柜里，领有寰球第一套由主动氢原子钟、冷原子铷钟、冷原子光钟组成的空间高精度时频系统，是天外中首个最高精度的时分频率系统——不错在五十亿年时分里将误差限制在一秒以内。

整套空间高精度时频系统由一台氢钟、一台铷钟和一台锶钟组成，分手由航天科工集团二院203所、中科院上海光机所、中科院武汉物理与数学盘问所研制，被共同固定在两个雪柜大小的框架中。

原子钟组里的氢钟是一种主动型氢原子钟，精度达到数百万年误差一秒，肖似家具仍是被通俗应用于我国已放射的卫星中，当作校准的参考对象；

铷钟则是一种冷原子喷泉钟，通过激光将原子冷却后，再愚弄微波引发铷原子的能级跃迁进行计数，精度达到三千万年误差一秒；

最精确的莫过于锶钟，它亦然我国初度放射上天的光钟，它通过可见光引发锶原子的能级跃迁进行计数，精度高达数十亿年误差一秒度高达数十亿年误差一秒。

将不同类型的冷原子钟组合在悉数，形成一个冷原子钟组。冷原子钟组不错兑现不同频率之间的周折和比较，从而提高举座系统的相识性和可靠性。放射到天外中后，这三台“又高又冷”的钟不错稳定责任并互比拟较读数，从而曩昔所未有的精确度测量时分，以致仍是逾越了大地上最为先进的单台冷原子钟。

二、冷原子钟是如何计时的？

当作一种更精确的计时技艺，原子钟的降生离不开东谈主类在20世纪40年代原子核物理界限日新月异的发展。

原子是组成元素的最基本单元，同期亦然化学变化中的最小微粒，当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会开释电磁波，就是东谈主们所说的共振频率。合并种原子的电磁波特征频率是一定的，可用作一种节律器来保捏高度精确的时分。原子钟就是愚弄保捏与原子的电磁波特征频率同步当作产生时分脉冲的节律器。

摇荡器产生微波或者光信号，通过精密可调的乘法器（微波/光频链路）与原子介质作用，探伤原子介质跃迁后的能态变化，锁定摇荡器，摇荡器输出法式频率信号。这是原子钟最基本的部分，称之为原子频标，加上频率计数和积分等计时器功能就构形周密部的原子钟。

在发现原子共振得意后，物理学家就运行尝试将其振动效果界说为法式的时分计量单元。举例铯-133在零下273度条目下的共振频率为每秒9192631770次（约91亿次），这亦然咫尺外洋计量大会（CGPM）关于”秒“的界说。

原子钟依靠计数测量原子的共振频率，并进行反推，从而兑现精确计时。它的上风在于不含放射性，且不受相对论效应的影响，具有低漂移、高相识性、抗辐射、体积小、分量轻、功耗低等特色，这让它在天外中有着用武之地，放射至天外中责任的被称为空间原子钟。其中基于微波引发的被称为喷泉钟，被光引发的被称为光钟。

使用冷原子进行计时，是因为它的每个原子接近于静止情景，简单将原子扫尾在特定空间中，成心于东谈主类愚弄振动计时，这么的原子很“冷”是效果而非原因。

这就是外洋度量衡大会严格界说铯原子必须处于零下273度的原因：静止的原子摒除了通顺的干与，比拟于更“热”、通顺速率较大的原子，其共振频率输出将更相识，且更易被仪器捕捉。这就需要依靠寥落技艺将原子降速，导致了温度的下落，达到界说中的零下273度低温。

三、如何让环境变成“最冷”？

空间冷原子钟精确计时诀窍在于“高、冷”二字：一方面收成于天外中的“微重力”环境，另一方面则因为钟自身的“冷”。

咱们诚然看不饶恕子或分子，但内部的原子或分子都在通顺，通顺就会产生热，这即是热原子。冷原子技艺是用激光的技艺将原子温度从室温缩小到接近完全零度。对这些竟然不动的原子进行测量，效果会愈加准确。

制造冷原子钟的最浩劫点，莫过于将辩论原子速率缩小至接近于零。

出于不同的盘问办法，科学家需要创造尽可能接近于完全零度的环境，使原子在“最冷”的环境下领有相识的情景。这就需要从热能的界说上启航，使原子“变冷”的根柢是需要通过某种技艺对原子降速，当速率降至接近于零，骨子上体系的温度就越接近完全零度。

关于这一发愤，华侨科学家朱棣文冷落了“激光冷却和拿获原子的技艺”，极大鼓动了冷原子物理学的发展，并以此赢得了1997年诺贝尔奖。

原子由原子核和绕原子通顺的电子组成。对某一个原子来说，相识的原子核需要通过重大的能量才气轰开，很难放射能量交换，它的电子却容易与外来的光子发生作用。当电子从低轨谈跃迁到高轨谈时，它需要罗致相应的能量。当特定频率的光子被原子罗致后，根据动量守恒定律，这将导致原子的速率发生变化。

基于这个效应，科学家设想了从六个场地入射激光的安装，针对辩论原子休养激光的频率到一个顺应的值，保证光子被罗致。

这么的设想的办法是：不管原子朝哪个场地通顺，它老是会罗致到当面而来的光子。这些原子就好似处在特定频率光子形成的“繁多糖浆”中，它们向各个场地通顺的速率会抑制缩小，直到竟然静止，从而缩小悉数体系的热能。这仍是成为了外洋上构造冷原子钟极低温环境的法式技能。

跟着激光冷却原子技艺的发展，愚弄激光冷却的原子制造的冷原子钟使时分测量的精度进一步提高，正以竟然每十年提高一个数目级的速率发展。

四、超高精度授时助力多界限发展

站得高，望得远，关于卫星之间亦然如斯。咫尺的星载钟需要依靠抑制与大地的冷原子钟进行对王人，才气够赢得较精确的时分信息，但星地之间相对较长的距离，以及大气层和电离层的存在都会导致同步进程有所波动。

淌若在星间链路自己开荒一套精确授时系统，它就不错当作寰宇空间中的授时中心，将基于空间时分坐标系下的超高精度时分信息毫无干与地传输给其他卫星。

通过“梦天”执行舱的纠合校准，在形成一个天外坐标系下的时分频率收集系统后，不管是天外中的授时精度、照旧面向大地的导航精度（大约从米级精确至厘米级）都大约大幅提高。

同期它还能灵验相沿好多基础科学的盘问，举例论证爱因斯坦广义相对论、更精确地测量物理常数和远处星系距离、监控引力波得意、寻找暗物资和暗能量的笔据、探索寰宇中的引力红移得意、不雅察远处星系的合并等，为我国后续的天文物理盘问创造更好的条目。

结语：

我国宽广天外探索运筹帷幄下的卫星之间相距几百万公里，却需要在毫米级别圭臬上感知到对方的发出的激光信号，这都需要极高精度的时分瞄准才气。而咫尺，我国在天外中领有了最佳的授时系统，这将相沿我国在天外中多界限的盘问。毫无疑问，“梦天”执行舱中的冷原子钟组将赋予寰宇探索新的思象。

参考文件：

[1]中国航天基金会. 解码梦天执行舱科学执行柜

[2]中国政府网. 中国空间站将应用自主研发的主动型原子钟

[3]科技时坛. 数十亿年误差一秒！中国造出寰球首套冷原子钟组，到底有什么用？

[4]中科院物理所. 光是如何让原子简单下来的？

[5]北斗卫星导航系统. 从古于今，授时都履历了什么？