“天宫二号”里的空间冷原子钟

中国科学院上海光学精密机械研究所

从日晷到冷原子钟

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，我们的祖先记录时问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来模糊地定义时间，这样的时间被称为自然钟。

后来，人们逐渐发明了日晷、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，人们把任何能产生固定振荡频率的装置，统称为时间频率标准，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年问，人们首先采用古老的摆轮钟代替了自然钟（误差约为1刻钟/天），然后在钟擺装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表（误差约为1秒/年）。

从20世纪30年代开始，小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟，成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。

总而言之，“时间”已成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量。人类通过不断提高影响时间测量精度的长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，从而不断提高时间测量精准度。

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，发展出比晶体钟更高精度的原子钟。

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速度飞速发展。到20世纪末，计时误差约为1秒/300万年，在此基础上建立的全球定位导航系统（例如美国的GPS），覆盖了整个地球98%的表而，将原子钟的信号广泛地应用到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，地而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。

空间冷原子钟向更高精度进发

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。

科学家们经过近10年的艰苦努力，2016年，中国第一台空间冷原子钟正样产品研制成功，由“天宫二号”空间实验室搭载进入太空，成为国际上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。

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。

我们相信，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！