3亿年误差1秒的冷原子钟你了解吗？

超高精度空间冷原子钟，这是一台什么“钟”？将对我们的生活产生什么影响呢？　　

“精”益求“精”：从日晷到冷原子钟

人类计时工具发展演变图

在人类文明进步和科学技术发展的历史长河中，人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。很久很久以前，我们的祖先记录时间是利用天体的周期性运动。他们日出而作，日落而息，通过观察自然现象，例如太阳和月亮相对自己的位置等来模糊的定义时间，这样的时间被称为自然钟。

后来，人们逐渐发明了如日晷、水钟、沙漏等计时装置，能够指示时间按等量间隔流逝，这也标志着人造时钟开始出现。 　　

而当钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器出现后，人们把任何能产生确定的振荡频率的装置，称为时间频率标准，并以此为基础发明了真正可持续运转的时钟。

从14世纪到19世纪中叶的500年间，人们首先采用古老的摆轮钟代替了自然钟，（精度约为10^-2量级，误差约为1刻钟/天），然后在钟摆装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表，使机械钟的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平（精度最高达到10^-8量级，误差约为1秒/年）。

从20世纪30年代开始，随着晶体振荡器的发明，小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟，广泛应用在电子计时器和其它各种计时领域，一直到现在，成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。

20世纪40年代开始，现代科学技术特别是原子物理学和射电微波技术蓬勃发展，科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出比晶体钟更高精度的原子钟。

1967年第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义：“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。 　　

自从有了原子钟，人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展，20世纪末达到了10^-14量级，即误差约为1秒/300万年，在此基础上建立的全球定位导航系统（例如美国GPS），覆盖了整个地球98%的表面，将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。

随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟误差已经减小到1秒/3亿年，更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。

空间冷原子钟实体图

从外形上来看，空间冷原子钟是一个黑色圆柱体，从20世纪40年代开始，科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，研发出了原子钟，并在此基础上研制出喷泉冷原子钟，这种钟比一般的钟精度更高。截至2016年9月，地面上精确度最高的喷泉冷原子钟误差已经减小到1秒/3亿年。

空间冷原子钟是在地面喷泉原子钟的基础上，科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合的喷泉冷原子钟，主要包括物理单元、微波单元、光学单元和控制单元4个组成部分。相比于之前太空运行的最高精度300万年误差1秒的热原子钟，这只冷原子钟将时间精度提升了10倍。

但在地面上，受到重力的作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动，所以喷泉冷原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制，那么如何才能使钟的精度更高呢?在这种情况下，空间冷原子钟应运而生。在空间的微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息，从而可以获得更高精度的原子钟信号。

中国科学院上海光机所量子光学重点实验室主任刘亮介绍说，如果说机械表1天差不多有1秒误差，石英表10天大概有1秒误差，氢原子钟数百万年有1秒误差，那么这台冷原子钟则可以做到3000万年误差1秒。“未来可能出现更精准的原子核钟，”刘亮说，“我们**目标是制造出在宇宙的生命周期内永不会走偏的时钟。”

冷原子的典型应用图

空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础，并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。