車門關閉的前一秒擠進地鐵、鈴聲響起的第一秒停筆交卷……日常生活中的“一秒”往往普通得毫不起眼,只在某些“特別”時刻才凸顯出自己的存在感。但在科學領域,“一秒”不僅是時間的衡量尺度,更承擔著“失之毫釐謬以千里”的重要責任。


  近日,天宮二號空間實驗室搭載的世界首臺太空運作的冷原子鐘,在軌近兩年時間裏完成了全部既定測試任務,實現了3000萬年誤差小于1秒的預定目標,將目前人類在太空的時間計量精度提高了1至2個數量級,是國際首臺在軌運作並開展科學實驗的空間冷原子鐘,也是目前在空間運作的最高精度原子鐘。


  “過去20年裏,有很多人努力要把冷原子鐘送到太空,但最終,是由中國第一次展示了空間冷原子鐘的實驗……”這一重要科研成果已作為亮點文章線發表于國際重要學術期刊《自然通訊》上。


  “鐘”也有冷熱之分?


  假設你一分鐘穩定吸氣30次,那麼你可以通過測量兩次氣流流動來確定時間間隔,並做出定義(2秒),以穩定的頻率對應穩定的時長,便是“鐘”的工作原理。但實際上,“穩定”並不是輕易能夠達到的理想條件。


  從最初的日晷、鐘擺,到石英鐘,再到原子鐘,為了減小1秒的誤差,科學家在不斷追求更穩定的頻率。


  原子鐘是利用原子振蕩頻率來確定的時間標準。原子由原子核與外層電子組成,原子核帶正電,帶負電的電子繞著原子核運動。每個元素中的電子與原子核的距離不同,但只能處於一個特定的能級或“軌道”。當電子吸收能量時,它們會躍遷到更高的能量狀態(將其看成是遠離原子核);當電子釋放能量時,它們會躍遷到較低能量狀態(將其看成是接近原子核),損失的能量作為電磁輻射(微波、光波等)被釋放出來。能量狀態之間的這種躍遷就是原子鐘要測量的“振蕩”。


  原子對頻率誤差的鑒別能力取決於頻率躍遷譜線的寬度,一般而言,譜線越窄,原子鐘的精度越高。“但常溫下的原子處於劇烈運動中,提取和觀察會受原子熱運動的影響,産生局限。”中國科學院上海光學精密機械研究所(以下簡稱上海光機所)屈求智副研究員解釋道。“冷原子技術則是用鐳射的方法將原子溫度從室溫降低到接近絕對零度。對這些幾乎不動的原子進行測量,結果會更加準確。”


  事實證明,相比于之前太空運作的最高精度300萬年誤差1秒的熱原子鐘,空間冷原子鐘將時間測量精度提升了10倍。


  有了它可開展更多太空實驗


  地球環境下,物質運動必然受限于重力加速度,因而很難獲得更窄的譜線。那麼,何不將場景置換到太空?


  “在微重力環境下,原子團可以做超慢速勻速直線運動,基於對這種運動的精細測量,科學家們可以獲得較地面上更加精密的原子譜線資訊,從而可獲得更高精度的原子鐘信號,實現在地面上無法實現的性能。”屈求智副研究員精準總結了其中的技術支撐。這是原子鐘和時間基準發展歷史上的重要突破。


  空間冷原子鐘便是將鐳射冷卻原子技術與空間微重力環境相結合,讓原子鐘向更高精度進發。


  它可以在太空中對其他衛星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準,從而避免大氣和電離層多變狀態的影響,使得基於空間冷原子鐘授時的全球衛星導航系統具有更加精確和穩定的運作能力。同時,冷原子技術的發展大幅度提高了許多實驗的精度,使原來不可能進行的實驗成為可能。


  然而,在存在地球輻射帶干擾以及複雜的空間環境下,穩定運作一台精密的空間冷原子鐘具有極大挑戰:微重力環境下運作的冷原子鐘物理系統、長期自主運作的冷原子製備與操控鐳射光學系統、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源……獨自行走在科創道路上,上海光機所的研發團隊讓自己達到彼此角色轉換的要求,同心協力地把科研目標變成工程目標,一個一個地去實現。


  放眼國際,主要發達國家都在進行空間冷原子鐘的戰略佈局,如歐空局的ACES計劃,在國際空間站運作一台以冷原子銫鐘為核心的高精度時頻系統,擬在2020年左右發射;美國曾經開展的PARCS(空間冷原子銫鐘)、SUMO(超導振蕩器)、RACE(空間冷原子銣鐘)等研究計劃,利用冷原子開展空間科學研究更是目前國際前沿熱點之一。


  在空間冷原子鐘的研製方面,我們雖然搶得了先機,但是這場競賽也才剛剛開始……