中國空間站正在擴建，“夢天”實驗艙將搭載三種冷原子鐘，打造世界上第一個太空時間實驗室，這是人類最精準的時鐘，運行3億年誤差僅1秒。那么冷原子鐘到底是什么？精度這么高，對中國有什么意義呢？

冷原子鐘是什么？

2016年9月，中國天宮二號空間實驗室成功發(fā)射，上面搭載了人類歷史上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

空間冷原子鐘

這個鐘沒有鐘擺，也沒有秒針“滴答”，“長相”也很奇怪，是一個黑色圓柱體，看起來根本不像鐘。它對時間的測量，是基于原子物理，而且跟一般的原子鐘也不一樣，多了個“冷”字，應用的是更先進的冷原子物理技術

如果說機械表1天差不多有1秒誤差，石英表10天大概有1秒誤差，氫原子鐘一百萬年有1秒誤差，那么冷原子鐘可以做到3000萬年才1秒誤差。

這是怎么做到的呢？簡單說，就是在太空失重環(huán)境下，用激光給原子降溫，降到接近絕對零度，讓原子的速度變得非常慢，做一種超慢速勻速直線運動。

這時候，處于純量子基態(tài)上的原子，經過一個環(huán)形微波力場作用，產生量子疊加態(tài)，然后用探測器測量兩種量子態(tài)的原子數量比例，再經過一些換算，就可以得到一個高精度的時間頻率標準信號。

聽起來有點復雜，但網上有一句玩笑話“遇事不決、量子力學”，其實這句話有它的道理，大家只需要知道，這種冷原子鐘，就是利用量子力學來給時間下定義，所以是最精確的。在太空中，冷原子鐘可以避免地球重力影響，時間精度可以再提高一個數量級，3億年才1秒誤差，做到最高精度的授時。

高精度授時有什么作用？

把時間的精度做到這么高，有什么用呢？用處非常多，我們今天只聊聊其中最有代表性的兩個：星際導航、大尺度的時空研究。

先說星際導航，舉個例子，我們都用過導航軟件，從出發(fā)到目的地，衛(wèi)星要先給你精確定位，才能算出導航路線，但是如果衛(wèi)星的時鐘不準確，每一分鐘都有一毫秒誤差，那么在上萬公里的尺度上，誤差積少成多，可能你要去上海，結果給你導航到杭州去了。

所以說，高精度的時間，是導航系統的核心技術之一。目前，人類的衛(wèi)星導航系統，只能用來地球表面的導航，還有近地空間的導航，一旦把尺度放大到整個太陽系，動不動就是幾億公里的距離、幾個月的飛行時間，一點點誤差就會劇烈放大。

雖然現在人類的探測器，比如旅行者1號和2號，已經飛出了太陽系，但是導航都是很粗略的，對探測器來說足夠，但如果以后人類要搞太空開發(fā)，比如開采小行星上面的礦石，那這個導航精度就可能不夠了。

只有把時鐘的精度提高了，人類才有可能建立星際導航系統，實現在太陽系范圍內的大規(guī)模經濟開發(fā)活動。雖然目前人類只登陸了月球，但我們遲早要登陸火星，甚至登陸其他行星，冷原子鐘技術，就是為星際導航鋪路的頂級技術之一。中國科學家說過，要在本世紀，讓中國人足跡抵達太陽系邊緣，相信這個目標一定會實現。

再說時空研究，冷原子鐘技術可能會給人類帶來更多的收獲。比如，如果在太陽系的各個拉格朗日點，也就是引力平衡點，都放上一臺冷原子鐘，就像是“時間定位點”一樣，那么就可以進行大尺度的時空研究，可以驗證廣義相對論在大尺度范圍內是否成立，測量引力波，探測暗物質。我們現在對宇宙的了解還太少，說不定冷原子鐘能讓人類探測到時空的細微變化，發(fā)現宇宙的更多真相。