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      4200萬年誤差僅1秒，世界上最“高冷”的鐘 | 屈求智
      
                    
                    
                    
                    
      
                         牛人的尾巴
                        
                        
                        2019-12-05
                        
                            
                        
                    
      
                    
      
                        
                        
      
                    
      
                    
                    
      
                        
      
                            
                        
      
                        
      
                            
                                
      
                                    
                                        
      

                                        
                                        

                                        
      “一個全新的冷原子鐘的時代即將到來。它將會擺脫實驗室的束縛，應用到各種更加復雜、更加需要的環(huán)境中去，為大家服務。”
       屈求智
       中國科學院上海光學精密機械研究所副研究員


      首先我問大家一個問題，什么是時間？這個問題聽起來好像很熟悉，我們每個人每天都不停地在看時間，但是當有人問你“時間是什么”的時候，可能就不是那么好回答了。

      古羅馬時期著名的思想家荷馬說過：“如果沒有人問我這個問題，我想我知道什么是時間；可如果有人一問我，我就什么都不知道了。”愛因斯坦也說過這個問題，當有人問他什么是時間，愛因斯坦說：“空間和時間只是我們?nèi)祟愃伎嫉哪Ｊ?，并不是我們賴以生存的條件。”


      這話很深奧。說實話，我也說不清楚時間是什么。大家如果有興趣，可以去看一看霍金大神寫的那本書——《時間簡史》。

      時鐘：時間的記錄者
      時間我說不上來，但是用來測量時間的是時鐘。我倒是可以給大家解釋解釋。用一句最簡單的話來解釋時鐘，它就是周期運動加一個計數(shù)器。


      大家看，古時候我們分辨時間，就是看太陽、看月亮、看星星的周期運動。通過它們的位置，我們能夠簡單地判斷時間。我們稱這類鐘為自然鐘。自然鐘沒有什么精確度可言，大概就是能知道現(xiàn)在是上午、下午還是傍晚。


      人類自然不滿足于這樣的結果，所以在接下去的幾百年、上千年，人類發(fā)明了很多很多裝置來記錄時間。這張圖中那個記錄時間的裝置叫什么？

      它就是日晷。這個日晷最近在一部電視劇里可火了，這部電視劇叫《長安十二時辰》。


      下面的那個沙漏也是用來記錄時刻的。每次把沙漏倒過來，沙子會流到底下；再倒過來，沙子又會反過來流。沙漏有一個特點——可以等量地記錄一段時間，而且時間間隔基本不變。


      但是，這些都還不能稱之為時鐘。要成為時鐘，必須還有一個條件——能夠不斷地彌補損失的能量。所以，后來人們發(fā)明了水鐘和各種機器鐘擺，利用風能、電能等讓這些鐘始終不停地運轉(zhuǎn)，我們稱這類鐘為人造鐘。


      這是法國一個叫貝桑松的小鎮(zhèn)，那里非常小，風景非常優(yōu)美。在那里我看到了這臺鐘。貝桑松雖然面積不大，但卻是世界時間頻率的中心。每兩年一次的世界時頻大會都在這個小鎮(zhèn)召開，所以那里聚集了人類歷史上最精確、最好的一些時鐘。

      大家看這臺鐘，這是它的正面和背面。像這樣的一臺鐘，精度就非常高了。它能高到什么程度呢？高到10-8這個量級。換句話說，一年也就誤差一兩秒。


      當然，現(xiàn)代人不可能每家都有一臺這樣的鐘。我們現(xiàn)在都用非常好的機械手表、石英表來計時。


      那你們知道機械表和石英表的精度是多少嗎？有人說是“秒”。秒，只是它的分辨率，現(xiàn)在好的石英表已經(jīng)能夠達到分辨毫秒以下的精度了，用它來計時，日常生活就足夠了。

      原子鐘的誕生
      是不是有這樣的表就夠了呢？我們還需要更精確的時鐘嗎？


      我給大家兩個數(shù)字：如果一天的計時誤差超過千分之一秒，那么通信網(wǎng)絡、交通、金融系統(tǒng)、安全、電網(wǎng)發(fā)電等，就會陷入混亂；如果一天的計時誤差超過十億分之一秒，那么咱們的導航定位系統(tǒng)就不能像現(xiàn)在有這么高的精度了。


      現(xiàn)在我們的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它的精度大概在3米～10米的范圍內(nèi)波動。如果我們要進行導彈精確打擊，若時間測錯了，那導彈直接就不知道打哪兒去了。

      用什么樣的鐘才能夠?qū)崿F(xiàn)這么高精度的時間測量呢？在20世紀50年代的時候，一位叫拉姆賽的科學家發(fā)明了一種神奇的方法，叫作分離振蕩法。用分離振蕩法可以把原子的振蕩頻率給提取出來，作為計時器的周期運動。

      因為原子的振蕩頻率非常穩(wěn)定，而且非?？?，也就是說，原子的周期運動的時間間隔非常非常小，這樣可以讓分辨的時間間隔也非常非常小。


      同時，由于原子非常穩(wěn)定的結構，所以我們能利用它來研制既準又穩(wěn)的時鐘——原子鐘。

      人類需要更高精度的原子鐘
      當有了原子鐘以后，人類的科技進步就開始騰飛了。而且在過去的幾十年里，每10年原子鐘的精度都會提高一個數(shù)量級。現(xiàn)在，原子鐘主要運用在GPS或者北斗上面，比如氫原子鐘，還有常見的銫原子鐘、銣原子鐘，等等。

      它們的誤差可以達到數(shù)十萬年，甚至是數(shù)百萬年誤差一秒。但是問題來了，是不是這樣就夠了呢？現(xiàn)在原子鐘的精度能不能無限地再往上面增加呢？

      答案是，很難。因為原子鐘的精度在20世紀末已經(jīng)達到了一個瓶頸，基本上到了這個數(shù)量級的時候，精度已經(jīng)很難提高了。而精度提高最大的限制在于，原子本身的熱運動沒有辦法消除。

      原子的熱性運動是什么？原子又是怎么回事？我們現(xiàn)在需要的是優(yōu)于3000萬年誤差1秒的空間原子鐘，下一代的導航系統(tǒng)也需要更高精度的空間原子鐘。


      如果我們進行深空探測的反向定位，就是把我們的衛(wèi)星反過來朝向太空，去進行太空定位的時候，大家想象一下，現(xiàn)在的這種10米、3米的精度夠不夠？

      我打個比方，我們想坐宇宙飛船去太陽系最邊上的冥王星，如果用現(xiàn)在的導航系統(tǒng)進行定位，可能永遠也到不了冥王星，因為誤差實在是太大了。

      進行深空導航，必須要有優(yōu)于3000萬年誤差1秒的原子鐘才行。怎么樣才能得到更高精度的原子鐘呢？我們來看看這張圖。這是電影《復仇者聯(lián)盟》中的角色“滅霸”，在影片中，滅霸手指一打，蜘蛛俠就灰飛煙滅了。


      當蜘蛛俠變成小黑點的時候，我就在想，那一共有多少個小黑點呢？有沒有人知道大概的數(shù)量級？如果以一個60千克重量的普通成人計算，那將有2.4×1027個原子。

      原子究竟是什么？原子是組成人體最基本的單位，最基本的粒子。但是原子有一個特點，那就是化學攻擊對它沒有傷害。換句話說，如果我們把魔法稱之為化學攻擊的話，那原子對魔法攻擊是免疫的。

      什么東西對原子會形成傷害呢？對，物理攻擊。那什么樣的武器可以攻擊原子呢？答案是激光。而最近30年，科學家們就發(fā)明了用激光來冷卻原子的方法。

      以前正在上大學的我也搞不懂什么是激光冷卻，只是在查文獻的時候突然查到了激光冷卻這一概念。因為當時我很好奇，所以就看了一下。文獻中說，激光冷卻可以把原子冷卻到絕對零度。

      絕對零度這個概念我只在小時候看一部動畫片的時候聽說過，印象還挺深刻?？赡苣挲g跟我差不多的人都看過這部動畫片——《圣斗士星矢》。片里有一個圣斗士叫冰河，冰河升級到最后，可以做到一拳打出鉆石星辰拳，把他的師傅給凍住，那一拳就叫絕對零度。

      什么是絕對零度？絕對零度能把原子都凍住。我們知道，零度會讓水結成冰，變成固體；零下200℃的時候，空氣會結成冰，變成固體；零下273.15℃的時候，原子就會靜止不動，被凍住，這個溫度就叫絕對零度。

      2000年畢業(yè)后，我就來到了中國科學院上海光學精密機械研究所。因為當時我查到，全中國只有上海光機所在開展激光冷卻的實驗，所以我就跑過來了。這一來不要緊，我一頭扎進冷原子的世界就是20年。

      冷原子鐘上天難
      用冷原子可以大幅度提高原子鐘的精度。但怎么樣用這個原子鐘呢？大家看這張圖，這是星間鏈路圖。


      從圖中我們可以看到北斗的星載原子鐘和其他導航系統(tǒng)的星載原子鐘，如果在這個星間鏈路里有一個空間冷原子鐘，那就不得了了。這個空間冷原子鐘可以將它的超高精度，直接點對點地傳給所有衛(wèi)星。

      大家知道，現(xiàn)在衛(wèi)星上的原子鐘要靠不斷地跟地面上的冷原子鐘進行比對，才能夠獲得相應的精度。但因為天地之間隔著大氣層，云層的變化和電離層的變化都會導致比對過程中產(chǎn)生波動。

      如果在天上就有一個高精度的基準，那所有原子鐘的精度不就直接提高了嗎？所以冷原子鐘的運用前景是非?？捎^的。

      如果我們實現(xiàn)了這個愿景，就可以把現(xiàn)在導航系統(tǒng)的定位精度從10米降到米以下，甚至到厘米、毫米以下。那個時候，無人駕駛、智能汽車就可以真正實現(xiàn)大范圍應用了。不過要把冷原子鐘送上天，非常困難。


      冷原子鐘技術非常復雜，現(xiàn)在，全世界只有發(fā)達國家的十幾個國家級實驗室擁有冷原子鐘技術。大家都希望把這樣一臺冷原子鐘送上太空。

      冷原子鐘研發(fā)難
      從1997年開始，歐洲航天局（ESA）就開始了他們的空間冷原子鐘計劃，他們管這臺鐘叫法老鐘，這臺鐘已經(jīng)研制20多年了，還沒有被發(fā)射成功。1999年美國國家航空航天局（NASA）也啟動了類似項目。

      中國當然不會落后，因為我們的科學家意識到，在這個領域我們絕對不能落后。2005年的時候，我們開始了中國自己的空間冷原子鐘研制計劃。

      結果如何呢？到現(xiàn)在，ESA和NASA還沒有實現(xiàn)目標，但中國在2016年的時候就實現(xiàn)了。這就是“天宮二號”空間冷原子鐘的由來。


      那么，是一個什么樣的研制團體做出了世界上第一臺空間冷原子鐘呢？左圖這位就是我們實驗室的創(chuàng)始人——王育竹院士。


      在王院士的帶領下，50年來三代科學工作者一直在從事原子鐘方面的工作。我們是第一個開始激光冷卻原子實驗的團隊，第一個做出中國第一臺投入使用的原子鐘的團隊，第一個做出空間冷原子鐘的團隊。

      我從2000年進入這個團隊，開始做激光冷卻實驗，5年后我們做出了中國第一個玻色-愛因斯坦凝聚體。那候我們的激光冷卻技術已經(jīng)非常成熟了，于是開始做空間冷原子鐘。這是我們從一個完全空白的實驗室建起來的空間冷原子鐘的原理樣機。


      這個樣機占滿了整個實驗室。當時原理樣機做出來以后，我們非常興奮，非常激動，趕緊把整個成果報了上去，告訴國家，我們已經(jīng)通過了空間冷原子鐘的物理原理實驗。

      我記得很清楚，2010年12月，團隊突然接到北京的電話，成員都被召到了北京航天城。在航天城旁邊的一個賓館里，我們開始了封閉學習：從早晨9點到晚上9點，一堆專家都在日夜不停地給我們開會，不停地給我們上課。

      上什么課？上航天工程課。為什么要上航天工程課？因為我們是從事物理研究的，是做科研的，我們每天只會做實驗，但現(xiàn)在國家要求我們把這個實驗搬到天上去。

      聽完相關報告后，我們整個后背都是涼的，汗都下來了。為什么呢？大家看看這兩張對比圖，紫色部分就是當時原理樣機在實驗室所占的空間，紅色部分代表“天宮二號”上的冷原子鐘占的空間。


      “天宮二號”上還要搭載14個高精度的科學儀器和載荷，留給冷原子鐘的整體空間大幅縮小了。除了空間要縮小，體重也要控制在70千克以內(nèi)。這簡直是開玩笑！要知道，當時那個原理樣機有500多千克重。而且，要求整個冷原子鐘的長度不許超過一米，高度不超過半米。

      更不可思議的是，冷原子鐘的功率只能有100瓦。100瓦是什么概念？現(xiàn)在一個臺式電腦都有好幾百瓦的功率，一個高速運轉(zhuǎn)的微波爐都有1000多瓦的功率。100瓦夠我們干什么？

      現(xiàn)在我再來解釋一下什么叫激光冷卻原子。左圖是風暴云圖，風暴的中心叫風暴眼，風暴眼的狀態(tài)其實是非常安靜的，但風暴眼外的物體就會受到強大的力量擠壓。


      激光冷卻的概念就是要在原子的周圍產(chǎn)生一個場，用激光在原子的周圍產(chǎn)生一個囚禁的牢籠，把原子抓在里面，不讓它出來。然后不斷地冷卻它，不斷地把它的能量進行吸收和消化，最后讓原子靜止在里面?？梢韵胂螅@至少要從X、Y、Z三個方向?qū)υ舆M行束縛，原子才跑不出去。

      好，概念弄清楚了。現(xiàn)在我們至少需要有六束激光對著原子照，才能把原子抓在里面，不讓它出來。可是，100瓦的能量夠我們干什么？

      我們最多只能有兩束激光。一般情況下用六束激光才能完成的事情，現(xiàn)在讓我們只用兩束激光來完成，這根本沒辦法完成??！但工作必須得干。最后我們做出了這樣一套系統(tǒng)。

      這套系統(tǒng)就是通過兩束光的多次反射完成的，這樣就不會浪費一點點的能量，我們最終做了一個原子的激光囚籠，把原子裝在了里面。這張圖也就是我們的空間冷原子鐘的工作原理圖。


      做成空間冷原子鐘到底有多么難呢？

      在太空里，我們要讓原子每隔幾秒鐘就被冷卻、囚禁，然后再被拋出去，要讓它沿著一條指定的直線做非常慢的勻速直線運動，而且這個運動是循環(huán)往復，經(jīng)年不息。在這個過程中，還要完成各種各樣精密的原子能級操作。做這樣一臺空間冷原子鐘，難度是非常非常大的。

      從2010年10月接到任務，到2016年交出正樣件，這5年是不堪回首的5年。我現(xiàn)在也不大愿意去回憶那時候的情景，因為我們每天都是從早到晚在實驗室里面，沒有白天，沒有黑夜，也不知道外面四季的變化。


      現(xiàn)在經(jīng)常有人跟我們說“996”、“007”的工作狀態(tài)如何如何，我們基本上都是笑一笑，因為從那個時期走過來的人，對這些已經(jīng)沒有概念了。

      當時的我們只有一個愿望，那就是所有人必須要把這件事情做成，做好。這也是我們最大的收獲——當一個團隊的所有人目標一致的時候，任何困難都擋不住。


      最終，我們完成了所有的測驗，經(jīng)過了航天工程所有環(huán)模試驗的考驗，終于趕在“天宮二號”發(fā)射之前把正樣飛行件交了出來。

      空間冷原子鐘發(fā)射成功
      2016年的6月，我在酒泉發(fā)射中心親手把我們做的這臺鐘送上了“天宮二號”。當時的那個心情，無法形容。大家可以想象一下，整個團隊10年的心血就在這臺鐘上，而它以后是再也不會回來的。我們對它滿懷著期望，同時也非常不舍。


      這張照片就是“天宮二號”發(fā)射那晚，我的同事在現(xiàn)場用手機拍下來的。那天是中秋，月亮非常圓，非常漂亮。


      當時我在北京的飛控中心，中央人民廣播電臺采訪我，讓我向全國人民說一說世界上第一臺空間冷原子鐘的情況。我提前準備了很多很多的臺詞，但是當話筒打開的一瞬間，我基本上是說不出話的。

      我只說了兩個字來概括這臺鐘，一是高，二是冷。它是所有冷原子鐘里，軌道最高的鐘；它是所有高軌原子鐘里溫度最低的原子鐘。我用非常機械化的語言向全國人民說道：“我們的空間冷原子鐘已經(jīng)一切正常，準備就緒了。”


      發(fā)射的那晚，其實我們還非常焦急。因為發(fā)射成功，只代表火箭發(fā)射成功，我們做了這么多年的工作，為的就是讓這臺鐘扛過火箭發(fā)射時的巨大震動，扛過所有環(huán)境變化帶來的影響。

      要知道，在實驗室里的時候，我們連大聲說話都不敢?？人砸宦暎优艿袅?；外面汽車經(jīng)過一下，原子跑掉了；隔壁房間的電子儀器一打開，原子跑掉了……我們做了很多工作去解決這一問題。直到“天宮二號”發(fā)射成功后的第三天，我們收到了第一條來自太空的原子譜線，大家的心才放下來。

      也就是在那個月，美國的《科學》雜志給了我們做了一個專題評論，雜志封面上寫道：中國的空間冷原子鐘開始滴答作響，人類地球的計時精度將會變得更加精確。

      這臺鐘在天上一共運行了34個月，直到今年的7月19日晚上21點06分，它才跟著“天宮二號”一起返回地球。當然不是正常返回，是自然墜毀的。當時我們還在開玩笑，說要不要跑到南太平洋那兒去把它打撈上來。它在天上的34個月，一直給我們采集各種各樣的數(shù)據(jù)。

      從圖中我們可以看到，它每隔90分鐘繞地球一周，軌道高度400千米。它一直在切割磁力線，右圖就是它所感受到的磁場強度圖。這個地磁場已經(jīng)被我們削弱了一萬倍。我們可以看到圖中有一個紅色的圈。

      當時看到這個曲線圖的時候我們就感覺很奇怪，為什么這里跟其他地方不一樣呢？原來，這里對應的地方是南大西洋磁場異常區(qū)，也就是百慕大三角區(qū)的附近。所以很有意思，我們可以通過原子的行為看到、測到地球的地磁場。


      這臺鐘在天上一共經(jīng)歷了34個月，它的預定目標是實現(xiàn)3000萬年誤差1秒，最終它做到了4200萬年誤差1秒。它的一部分在軌實驗成果發(fā)表在了《自然—通訊》雜志上。成果發(fā)表后，我們收到了國際上很多專家的高度評價。


      2017年我去法國參加時頻大會的時候，我們項目組是當天第一個做報告的。第二個做報告的就是剛才提到的法國法老鐘項目組。

      那個項目的負責人一上來說的第一句話就是：“很可惜，我們只能給大家匯報地面上的實驗數(shù)據(jù)了。非常遺憾?！币驗閬碜蕴焐系摹⒆铑I先的空間冷原子鐘數(shù)據(jù)已經(jīng)被我們中國人先拿到了。


      2018年，美國國家航空航天局破例邀請了中國的科學家去他們那里做科學實驗交流。為什么說破例？因為從很早以前，他們就以國防安全為由，禁止華裔科學家參與美國的科學實驗。國際空間站也從來沒有中國人上去過，更別提有中國的科學家在上面做過實驗。

      但就在2018年，他們不僅邀請我們?nèi)プ隹茖W交流，同時邀請我們的項目負責人擔任2018年國際時頻大會國際部的主席。

      當然，更令我們自豪的是，中國自己的空間站即將落戶太空。鑒于現(xiàn)有的國際空間站即將退役，不久的未來，中國的空間站將變成世界上唯一一個空間站。
       

      下一代的空間冷原子鐘目前正在緊張地研發(fā)之中。以此為基礎，我們還建立了很多可搬運的地面冷原子鐘，這些也已研究成功。

      可以想象，一個全新的冷原子鐘的時代即將到來。它將會擺脫實驗室的束縛，應用到各種更加復雜、更加需要的環(huán)境中去，為大家服務。
      
                                          		
                                
      
                                  
                        
      
                    
      



                
      
                
      
                    
                    
                        
      
                            
                                
        
                                    		
                        
        
                            
                
        
                
        
                
                
                
        
                
        


                

                
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