Section 03 冷原子钟的意义

1.时间的定义更精准

对时间的认识与对时间的计量是一个古老的学科，例如，我们常常用到的形容整个世界的词语是“宇宙”，“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。这是古人朴素的时空统一观念。基于天文时的天文历法一直是一个文明的重要标志，对于农耕文明而言，历法的精度会对社会生活产生重要影响，天文历法的特点就是看重长时间累计误差而忽视时间的细小精度。

19世纪中叶，人们在摆钟装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表，使机械钟表的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平。

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他各种计时领域，一直到现在，成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。

从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9 192 631 770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（如美国的GPS），覆盖了整个地球98%的表面，将原子钟的信号广泛地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的误差已经缩小到1秒/3亿年，更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。精确革命正在到来。

2018年7月25日，中国科学院发布消息，在天宫二号使用的空间冷原子钟实现了天稳定度7.2×10-16的超高精度，将太空时间精度提高了1～2个数量级。

2.人类科学探索更上一个台阶

由于空间冷原子钟可以在太空中对其他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。这种能在空间环境下可靠运行的高精度原子钟应用于导航定位系统将会提升系统自主运行能力以及导航定位精度。在基础物理研究方面，对推进基本物理常数测量、广义相对论验证等的发展具有重要意义。

爱因斯坦最大的贡献之一就是用相对论把原本独立的空间、时间和物质联系起来。这就导致所有的现代物理和空间探索都需要高精度原子钟。从应用的角度，目前，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）也是基于高精度原子钟，也就是用更高精度的原子钟为导航卫星进行定位和时钟同步，这样才可能为我们提供更准确的“时间”“位置”信息，从而为其他科研数据的得出奠定坚实的基础。例如，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。

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、温度等其他基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。而冷原子钟的发展将为人类探索宇宙空间提供有利的工具。