夢天實驗艙發射！攜帶的冷原子鐘曾被卡脖子，如今位居全球前列

夢天實驗艙發射啦！

夢天實驗艙是我國空間站基本構型的三個艙段之一，隨著夢天實驗艙的發射、對接和轉位，我國空間站將形成三艙“T”字基本構型。

和天和核心艙以及問天實驗艙不同，夢天實驗艙就是航天員“上班”的地方，沒有安裝睡眠倉和衛生間，所有的空間都節約下來安裝實驗機櫃了，一共安裝了13個標準載荷機櫃，是我國空間站空間應用系統實驗機櫃最多的一個艙段。

夢天實驗艙還搭載了氫原子鐘、銣原子鐘和光鍾，它們將組成的空間冷原子鐘組，構成在太空中頻率穩定度和準確度最高的時間頻率系統，精度非常高，幾百萬年才誤差一秒鐘。這項原子鐘技術其實同時也是北斗衛星的制高點技術，我們曾經被卡脖子，但現在卻是位居全球前列。那這到底是咋回事呢？

時間到底是什麼？

要想搞清楚原子鐘為何如此重要，我們就需要先弄清楚一個概念：時間。

在物理學中，有許許多多的概念，其中“時間”是一個極難被定義的概念。不過，古人很早就透過天文現象來計量時間，比如：日晷，就是太陽的投影方向來測定並劃分時刻。在1960年之前，對於“秒”的定義是：平均太陽日的1/86400；1960年-1967年，對於“秒”的定義變成了“球自轉一週時間的1/86400”。所以，發現了沒有？

人類對於“時間”的定義，依靠的其實是：測量，而其本質就是：物質的變化，或者說是物質的週期性變化。因此，想要定義清楚“秒”，本質上就是找到一個精準的週期性（有規律）運動來度量。

為什麼需要原子鐘？

其實早在文藝復興時期，伽利略就發現了鐘擺運動的週期與下方掛著的物體質量無關，與擺的長度有關，由於單擺的等時性，且週期在長時間內都是極為穩定的。於是，後來人們就拿鐘擺來進行計時。在當時，鐘擺在經過許多學者和工程師們的調整後，精度已經可以達到非常高的水平，在同一個地區，一天的誤差都在“秒”這個尺度範圍內。當然，鐘擺也有明顯的缺點，那就是受到重力的影響很大，如果重力加速度發生變化，那麼誤差就會變得很大。

到了近現代，科學家們又發現了石英晶體（或晶振），它擁有正逆壓電效應，在通電的作狀態下，可以展現出有規律的週期性運動。經過打磨後的標準晶振平均每秒可以震動32768次，透過~~~就可以實現每完成一次震動週期，秒針移動一格。所以，後來石英就被選用來計量時間，也就是石英鐘，它的精度非常高，有些石英鐘270年才會有一秒的誤差，人類是難以感知到它的誤差。如果僅僅生活中使用，石英鐘就完全夠用了。

然而，隨著科學和科技的進步，人們發現，石英鐘的精確也不太夠用。首先是在科學領域，現代物理學的支柱是相對論和量子力學，在宏觀尺度下，它們其實都相容了牛頓力學，也就是說，我們在宏觀世界裡，其實感知不到牛頓力學和相對論、量子力學的區別。

而相對論與牛頓力學的差異要到小數點後15位才顯現出來，僅僅依靠石英鐘是根本測不出來的、舉個例子，根據愛因斯坦的廣義相對論，引力會扭曲空間和時間（或者說“時空”，這也會導致時間膨脹。按照這個理論，在珠穆朗瑪峰頂部的時間是要比在海平面平均每天快三千萬分之一秒，這個尺度遠遠小於石英鐘的精度，根本測不出來。

除此之外，我們都知道現在使用的導航都要用到全球衛星定位系統，比如：中國的北斗，美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯，歐盟的伽利略。

而全球衛星定位系統依靠的是電磁波訊號傳輸來進行定位，電磁波訊號是光速3*10^8m/s，這個速度乘以時間就是訊號所走的路程，如果時間上差出一點點，那麼由於光速實在太快，全球衛星定位系統給出的定位資料就會差非常多。因此，對於全球衛星定位系統來說，要提供足夠精準的導航服務，也需要更加精準的鐘。

而這本質上就是去找一個更加精準的規律運動。科學家在後來就研究出了原子鐘。那什麼是原子鐘？

我們都知道，原子是由原子核與核外電子共同構成的，電子在原子核外的排布是按照能級排列的，電子從一個能級躍遷到另一個能級，需要吸收或者發射一個兩字的能量，能量的傳輸形式就是吸收或者釋放出光子。

於是，科學家就想利用這個原理來製造計時工具，這就是原子鐘。那這是如何做到的呢？

科學家們六束鐳射從空間三個互相垂直的方向把原子束縛在一起，成為一個氣體原子團，這其中要用到鐳射冷卻技術，此時這團原子已經接近於絕對零度。緊接著，增強豎直向上的那道鐳射，給氣體原子團一個推力，在慣性作用下，它會向上運動大概一米的距離，就像噴泉一樣。

在這個過程中，會經過一個微波諧振腔，用不同頻率的微波去激發原子。當它們達到制高點後，會在會在重力下落，再返回到微波諧振腔，此時用另一束鐳射對準氣體原子團，在這當中，只有那些被微波腔改變的原子才會被誘導發光，這也被稱為熒光，再用檢測器測量出這些熒光發射出來的光子，就可以得到訊號頻率分佈圖，這樣反覆重複幾次，最終就會得到該原子團的狀態，以及熒光最大化的微波頻率。這個頻率就是該原子的自然共振頻率。

這個過程其實用到的技術叫做：冷原子噴泉。

而得到的共振頻率也就是我們所需要的更加精密的規律運動。起初，科學家利用的是銫原子，得到了一個銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪週期。在1967年，國際計量大會決定，銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周所持續的時間為1秒，這個定義也一直用到了現在。而銫原子鐘的精度也確實非常高，我國自主研發的銫原子鐘可以做到5400萬年，誤差不到一秒。而科羅拉多大學博爾德分校物理系教授葉軍團隊研發出的鍶原子鐘可以做到3000億年誤差一秒。

作為現在科技最重要的一項技術，原子鐘技術也曾經被國外卡脖子，那這到底是咋回事呢？

原子鐘技術也曾被卡脖子？

由於海灣戰爭與銀河號事件，這深刻地讓我們意識到研發全球衛星定位系統對於國防安全的重要性。於是，就有了我國的北斗衛星專案。

而對於全球衛星定位系統是“授時”功能是最為關鍵的，也是導航的基礎。因此，全球衛星定位系統的制高點技術就是：原子鐘。作為核心技術，歐美由於發展得早，在這方面是全球領先的，尤其是在相當長的一段時間裡，歐美的銣原子鐘屬於是我國卡脖子的技術，絕大多數的企業不願意把銣原子鐘賣給我們。

少數幾家願意售賣的，出價也非常高，這也就算了，即便是我們花了錢，他們也無法保證交付時間，這就導致我國的北斗衛星專案進度根本無法保證。為了不再被卡脖子，我國決心自主研發銣原子鐘，不僅研發出來，精確還要比歐美企業的更好。

後來，我國更是研發出了全球首臺雙頻氫原子鐘，實現了從被卡脖子到全球領先，所以在全球四大衛星定位系統中，我國的北斗衛星在這項制高點技術現在已經是出於第一梯隊的水平。