“天宫二号”科普来了（一）：超高精度空间冷原子钟
中国科学院空间应用工程与技术中心代表中国科学院牵头负责载人航天等重大科技工程空间应用系统方面的任务规划、总体管理和技术集成工作,负责所有科学应用载荷的系统集成、地面测试和在轨运控、成果推广等任务。
关于“天宫二号”的各项高精尖装备，接下来的一段时间里，科学大院将一一为大家介绍。超高精度空间冷原子钟，这是一台什么“钟”？它在“天宫二号”空间实验中扮演着什么角色？又将对我们的生活产生什么影响呢？一切还得从很久很久以前说起……
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。
人类计时工具的演变（刘琪 制图）
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。
时间测量装置的演变图例（梁哲凯 制图）
总而言之，“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量，通过各种物理转化，可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。
近年来，科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，有望在空间轨道上获得比地面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱线，从而进一步提高原子钟精度，这将是原子钟发展史上又一个重大突破。
由于高精度空间原子钟在计量学、守时、全球导航定位系统、基础物理等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值，国际上争相开展空间高精度原子钟的研究计划，其中最主要的是欧洲空间局ESA支持的ACES计划，预计将于2017年发射运行。
我国在原子钟研究方面都做了哪些工作呢？
说到这个，就不得不提到中国科学院上海光机所的王育竹院士及其科研团队，他们从上世纪六十年代就开始了原子钟方面的研究。
在1971~1979年间，他们承担了“远望”号测量船上铷原子钟的研制任务，成功研制出中国第一台铷原子钟，为国家导弹发射、远距离测量、通信等领域做出过重要贡献，获得了全国科技大会“重大科技成果奖”和国家科技进步特等奖。
中国第一台铷原子钟（上海光机所研制）
70年代末，国际上激光冷却气体原子的概念刚刚提出时，王育竹院士立刻认识到冷原子对原子钟的研究将产生革命性的影响，于是他率领团队着手开展了激光冷却原子技术的研究。
进入21世纪后，随着实验室激光冷却技术的发展，王育竹院士开始逐步推进小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟的可行性研究。
2007年，在王育竹院士的指导下，刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队成立，并于2010年完成了空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学试验论证。
2011年，空间冷原子钟实验CACES（Cold Atom Clock Experiment in Space ）计划正式进入工程样机的设计与研制阶段。
到2016年，经过科学家们近10年的艰苦努力，中国第一台空间冷原子钟正样产品研制成功，并且它在光、机、电、热、软件等方面通过了中国载人航天工程各类环模测试的检验，达到了满足火箭发射和空间在轨正常运行的要求，据悉，在即将发射的天宫二号载人航天飞行器上，就会搭载上海光机所研制的空间冷原子钟，这将成为国际上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。
那么，究竟空间冷原子钟与地面上的一般的冷原子钟有什么不同呢？
据科学家们介绍，空间冷原子钟是在地面喷泉原子钟的基础上发展而来。
在地面上，由于受到重力的作用，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，这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。
在空间微重力环境下，原子团又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。可以预期，空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。
空间冷原子钟（上海光机所研制 赵侃拍摄）
空间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四大组成部分，每个单元都有非常高的技术指标，其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度（μK量级）的超冷原子团，然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向抛射。
在微重力环境下，原子团可以做超慢速均速直线运动。处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔，与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态，经由原子双能级探测器测出处于两种量子态上的原子数比例，获得原子跃迁几率，改变微波频率即可获得原子钟的谱线Ramsey条纹。预计微重力环境下所获得的Ramsey中心谱线线宽可达0.1 Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得高精度的时间频率标准信号。
空间冷原子钟工作原理图（刘琪 制图）
由于空间冷原子钟可以在太空中对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准，从而避免大气和电离层多变状态的影响，使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。
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。
空间冷原子钟的典型应用（刘琪 制图）
人类的活动范围没有极限，对时间测量标准的要求也就没有极限。
（本文首发于科学大院，由中国科学院上海光机所供稿，转载请注明出处并保留下方二维码）
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