空间冷原子钟上太空，有何作用？它与地面冷原子钟有什么区别？

在人类文明进步的历史中，人类活动所带来的社会需求，与时间测量的精度密不可分。

远古时期，祖先利用天体的周期性，来形成社会运作规律。

“日出而作，日落而息”就由此而来。

但这种测量是模糊的，并不具体，所以整个古代社会节奏，极为缓慢。

如今，时间测量的精准度已经达到了一定的高度。

2016年，“天宫二号”空间实验室飞上太空，带上了名叫“超高精度空间冷原子钟”。

它到底有什么作用呢？与地面的冷原子钟什么区别？

从日晷到冷原子钟

时间测量的仪器演变，还要从很久很久以前说起。

前面提到，祖先一开始是以自然钟来划定时间，例如太阳和月亮相对自己的位置等，来模糊定义时间。

第一个出现的计时器是“日晷”，它被人类运用了几千年，一直到1270年，意大利和德国才出现早期的机械钟，而中国在1601年，也就是明朝的万历皇帝才得到了两个自鸣钟。

日晷被称为太阳的影子，利用太阳投射的影子，来测定时刻的装置。

它通常由铜制的指针和石制的圆盘组成，铜制的指针叫“晷针”，垂直穿过圆盘中心，能够将圆盘给立起来。

因此，晷针又叫做“表”，石质的圆盘叫做“晷面”。

圆盘的两面都有刻度，古人将时间分为12个时辰，一个时辰相当于现在的2个小时。

日晷不仅能显示一天之内的时刻，还能显示节气和月份。

不过，日晷有一个致命的缺点：阴天、晚上不能用。

因为阴天和晚上都没有阳光，自然不会有影子出现。

后来又出现了水钟、沙漏等计时装置，能够指示时间按等量的间隔流逝。

一直到发明了钟摆之后，人们将任何能够产生确定的震荡频率装置，称为时间频率标准。

从14世纪到19世纪中叶，这500年内，摆轮钟代替了自然钟，但它的误差还是比较大的，大约每天会误差1刻钟。

为了降低这个误差，在钟摆的基础上，又发明出来了日益精密的机械钟表，计时的精准程度已经基本满足人们的日常生活，误差每年1秒。

到了20世纪30年代，晶体振荡器出现了，小型、低耗能的石英晶体钟表代替了机械钟表，也就是我们日常生活中，挂在客厅的钟表。

石英表的诞生，一直应用到现在。但是，日常生活是足够的，可在科学实验中，尤其是以物理为基础的实验，石英表的精准程度，还远远不够。

有需求，就会有研究，随着原子物理学和射电微波技术的发展，科学家利用原子超精细结构具有的跃迁频率这一天特点，发明出来了原子钟。

下面，我们来科普一下原子钟到底是什么？它是如何促进现代科学的发展？

原子钟的用途

上面，我们提到了机械钟表的误差是每年1秒，这个误差对于日常生活来说，已经非常低了。

但原子钟就厉害了，它的精度可以达到每2000万年，才误差1秒。

原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。

根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，围绕原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。

这里的电磁能量是不连续的，当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，就会产生电磁波。

这种电磁波是非常稳定的，尤其是它的使用，还搭配着一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确。

目前，原子钟共有4个种类，分别是铯原子钟、氢原子钟、铷原子钟、CPT原子钟。

那么原子钟究竟有什么用途呢？

每一个原子都有自己的特征震动频率，它具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。

铯133是一种非常优秀的原子，将铯原子共振子放置在原子钟内，测量其中一种跃迁频率。

一般来说，是采用锁定晶体振荡器到铯原子的主要微波谐振实现。

巧合的是，这一信号正好处于无线电的微波频谱范围内，与广播卫星的发声频率相似。

自从有了原子钟，人类计时的精度以几乎每10年提高一个数量级的飞速发展。

在20世纪末，已经将误差缩小到每300万年1秒。

我们日常生活中，使用的全球定位导航系统（GPS），就是在原子钟的基础上建立起来的。

截止到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟，已经减小到了每3亿年1秒的误差，更精准的冷原子光钟也在飞速发展中。

地面上有了冷原子光钟后，物理学家提出，重力对冷原子钟又会有怎样的影响呢？

空间冷原子钟

鉴于物理学家提出的疑问，在“天宫二号”空间实验室升空时，带上了超高精度空间冷原子钟。

随着科技的发展，各国争相开展空间高精度原子钟的研究计划，科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，想要在空间轨道上，获得一个比地面上的线宽要更窄的数量级原子钟线谱。

我国的科学家们经过了近10年的艰苦努力，中国第一台空间冷原子钟研制成功。

并且，在光、机、电、热、软件等方面，通过了中国载人航天工程各类环境测试的检验，达到了进入太空后，正常运行的要求。

2016年，我国天宫二号载人航天飞行器搭载的空间冷原子钟，成为了国际上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。

那么，空间冷原子钟与地面上的一般冷原子钟有什么不同呢？

其实，空间冷原子是根据地面喷泉原子钟的基础上发展而来的。

在地面上，因为重力的作用，原子团始终处于变速状态，只能做出类似喷泉的运动或者抛物线运动，在时间和空间两个维度中受到了限制。

在空间的微重力作用下，原子会出现不同的反应，预测能够做出超慢匀速直线运动，能够获得更高精度原子钟信号。

结语

人类的活动范围没有极限，那么对时间测量标准要求，自然也没有极限。

超精密空间原子钟的实现，将进一步促进人类科技文明的发展。