冰河期零下273度 4200万年误差仅1秒，冷原子钟是世界上最“高冷”的钟！

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以下是中国科学院上海光学精密机械研究所所长瞿·的讲话:

首先，我问你一个问题。什么是时间？这个问题听起来很耳熟。我们每个人每天都在不停的看时间，但是当有人问你“时间是什么”的时候，可能就没那么容易回答了。

古罗马著名思想家荷马说:“如果没有人问我这个问题，我想我知道什么是时间；但如果有人问我，我什么都不知道。”爱因斯坦也说过这个问题。当有人问他什么是时间时，爱因斯坦说:“空时间和时间只是我们人类的思维模式，而不是我们生存的条件。”

下面的沙漏也是用来记录时间的。沙漏每倒转一次，沙子就会流到底部；如果你把它倒过来，沙子就会反向流动。沙漏有一个特点——可以均等地记录一段时间，时间间隔基本不变。

然而，这些不能称为时钟。要成为一个时钟，还必须有另外一个条件——能够不断弥补失去的能量。因此，人们后来发明了水钟和各种机器摆锤，并利用风能和电能使这些钟一直运转。我们称这些钟为人造钟。

这是一个叫贝桑松的法国小镇，很小，风景很美。我在那里看见了这个钟。贝桑松虽然面积不大，但却是世界时间和频率的中心。每两年，世界时间频率大会在这个镇上举行，所以有一些人类历史上最精确和最好的时钟。

看这个钟，这是它的正面和背面。像这样的钟精度很高。能有多高？高达10-8的数量级。换句话说，误差是一年一两秒。

当然，现代人不可能每个家庭都有这样的钟。我们都用非常好的机械表和石英表来计时。

你知道机械表和石英表的精度吗？有人说“秒”。秒只是它的分辨率。现在好的石英表已经能够达到毫秒以下的分辨率。用它来计时，足够日常生活用了。

原子钟的诞生

有这样的手表够吗？我们需要更精确的时钟吗？

我给你两个数字:如果一天的计时误差超过千分之一秒，那么通信网络、交通、金融系统、安全、电网发电等。会陷入混乱；如果一天的定时误差超过十亿分之一秒，那么我们的导航定位系统就不可能像现在这样精确。

目前，我们的卫星导航定位系统的精度在3米至10米的范围内波动。如果我们想用导弹精确打击，如果时间不对，导弹就不知道自己去了哪里。

什么样的时钟可以实现如此高精度的时间测量？20世纪50年代，一位名叫拉姆齐的科学家发明了一种神奇的方法，叫做分离振荡法。利用分离振荡法，可以提取原子的振荡频率作为定时器的周期运动。

因为原子的振荡频率非常稳定快速，也就是说原子周期运动的时间间隔非常非常小，可以使分辨时间间隔非常非常小。

同时，由于原子的结构非常稳定，我们可以用它来研制一种精确稳定的时钟——原子钟。

人类需要精确度更高的原子钟

随着原子钟的问世，人类的科技进步开始腾飞。而且，在过去的几十年里，原子钟的精度每10年增加一个数量级。目前原子钟主要用在GPS或者北斗上，比如氢脉泽、铯原子钟、铷原子钟等等。

他们的误差可以达到几十万年，甚至几百万年。但问题是，这样够不够？现在，原子钟的精度可以无限提高吗？

答案是，很难。因为原子钟的精度在20世纪末已经到了一个瓶颈，基本上在这个数量级是很难提高精度的。精度提升的最大限制是没有办法消除原子的热运动。

原子热运动是什么？原子呢？我们现在需要的是空之间的误差比3000万年好一秒的原子钟，下一代导航系统也需要精度更高的空之间的原子钟。

如果我们进行deep 空探测的反向定位，也就是当我们的卫星转向too 空进行too 空定位的时候，想象一下目前10m和3m的精度是否足够？

比如我们要乘宇宙飞船去太阳系边缘的冥王星。如果用现在的导航系统定位，可能永远到不了冥王星，因为误差太大。

对于深度空导航，需要有一个误差1秒的好于3000万年的原子钟。怎样才能得到精度更高的原子钟？我们来看看这张图。这就是电影《复仇者联盟》中的角色“灭霸”。在电影中，当灭霸击中他的手指时，蜘蛛侠被消灭了。

蜘蛛侠变成小黑点的时候，我想，有多少个小黑点？有人知道大概的数量级吗？如果按一个60斤的普通成年人计算，会有2.4×1027个原子。

什么是原子？原子是构成人体最基本的单位和粒子。但是原子的一个特点是化学攻击对它们没有伤害。换句话说，如果我们称魔法为化学攻击，那么原子对魔法攻击免疫。

什么能对原子造成伤害？是的，身体攻击。什么样的武器可以攻击原子？答案是激光。在过去的30年里，科学家发明了用激光冷却原子的方法。

以前读大学的时候不明白什么是激光制冷，但是在查阅文献的时候突然发现了激光制冷的概念。因为当时好奇，就看了一眼。根据文献记载，激光冷却可以将原子冷却到绝对零度。

我只在小时候看动画片的时候听说过绝对零度的概念，印象挺深刻的。可能和我同龄的人都看过这部漫画——《圣斗士星矢》。电影里有一个叫冰川的圣人。冰川升级到最后，一拳就能打中DIA星辰，冻结他的主人。那一拳叫绝对零度。

什么是绝对零度？绝对零度可以冻结所有原子。我们知道零度会使水结冰，变成固体；在零下200℃时，空气体会变成冰和固体；当温度为273.15℃时，原子会静止不动，被冻结。这个温度叫做绝对零度。

2000年毕业后，我来到了中国科学院上海光学精密机械研究所。当时发现国内只有上海光机所在进行激光冷却实验，就跑过去了。没关系，我一头扎进冷原子的世界20年了。

冷原子钟很难

使用冷原子可以大大提高原子钟的精度。但是这个原子钟怎么用呢？看这张图，这是星间链路图。

从图中可以看到北斗等导航系统的星上原子钟。如果这个星间链路空之间有冷原子钟，那就是灾难。这个空冷原子钟可以把它的超高精度直接点到所有卫星。

众所周知，卫星上的原子钟必须与地面上的冷原子钟进行比较，才能获得相应的精度。但是因为天地之间有大气，所以云和电离层的变化会在对比过程中引起波动。

如果天上有高精度的基准，岂不是所有原子钟的精度都直接提高了？因此，冷原子钟的应用前景非常广阔。

如果我们实现了这个愿景，就可以把目前导航系统的定位精度从10米降低到米以下，甚至到厘米和毫米以下。那时，无人驾驶的智能汽车真的可以广泛使用。但是送冷原子钟上天是很难的。

冷原子钟技术非常复杂。现在发达国家只有十几个国家实验室有冷原子钟技术。大家都希望把这么冷的原子钟送到空。

冷原子钟很难发展

自1997年以来，欧洲航天局开始了它的空冷原子钟计划。他们把这个钟叫做法老钟，已经发展了20多年，还没有成功发射。1999年，NASA 空开始了一个类似的项目。

中国当然不会落后，因为我们的科学家意识到我们在这一领域绝不能落后。2005年，我们开始了自己的空冷原子钟发展计划。

结果如何呢？到目前为止，欧空局和NASA还没有达到目标，但中国将在2016年实现。这就是天宫二号空之间的冷原子钟的由来。

那么，是什么样的研究小组做出了世界上第一个空冷原子钟呢？这是我们实验室的创始人王玉柱院士。

在王院士的领导下，三代科学家研究原子钟已经有50年了。我们是第一个开始激光冷却原子实验的团队，是第一个制作中国投入使用的第一个原子钟的团队，是第一个制作空内冷原子钟的团队。

2000年加入团队，开始做激光冷却实验。五年后，我们制造了中国第一个玻色-爱因斯坦凝聚体。那时候我们的激光冷却技术已经很成熟了，开始做空冷原子钟。这是我们从一个完全空白色的实验室里造出来的空冷原子钟的原理样机。

这个原型占据了整个实验室。当时样机做出来之后，我们都很激动。我们迅速报告了整个结果，并告诉我国，我们已经通过了空冷原子钟的物理原理实验。

我记得很清楚，2010年12月，团队突然接到北京的电话，所有成员都被叫到北京航天城。在航天城旁边的一家酒店里，我们开始了一项封闭式的研究:从上午9点到晚上9点，一群专家日夜不停地给我们开会、讲课。

你上什么课？上航天工程课。为什么要上航天工程课？因为我们从事物理研究和科学研究，每天只做实验，但是现在国家要求我们把这个实验搬到天上去。

听了相关报道，我们整个背都凉了，汗流浃背。为什么？看这两张对比图。紫色部分是当时实验室里原型占用的空房间，红色部分代表天宫二号上冷原子钟占用的空房间。

天宫二号将搭载十四个高精度科学仪器和载荷，大大减少了留给冷原子钟的整个空空间。除了空之间的减幅外，重量应控制在70kg以内。这是开玩笑！要知道，当时的样机重达500多公斤。而且要求整个冷原子钟长度不超过一米，高度不超过半米。

更不可思议的是，一个冷原子钟的功率只能是100瓦。100瓦是什么概念？现在台式电脑功率几百瓦，高速微波炉功率1000瓦以上。100瓦能做什么？

现在，让我解释一下什么是激光冷却原子。左边的图是风暴的云图。风暴的中心被称为风暴眼。风暴眼的状态其实很安静，但是风暴眼外的物体会被强大的力量挤压。

激光冷却的概念是在原子周围创造一个场，用激光在原子周围创造一个笼子，把原子抓在里面不让它出来。然后不断冷却，不断吸收消化它的能量，最后让原子在里面休息。可以想象，至少要从X、Y、Z三个方向束缚原子，使原子无法逃逸。

好了，概念明确了。目前，我们至少需要六个激光指向原子，这样我们就可以抓住里面的原子，防止它们出来。但是我们能用100瓦的能量做什么呢？

我们最多只能有两个激光器。正常情况下只能用六个激光做的事，现在就只用两个激光来做吧，根本做不到！但是工作必须做。最后，我们做了这样一个系统。

这个系统是通过两束光的多次反射来完成的，这样就不会浪费一点能量。我们最后做了一个原子的激光笼子，把原子放在里面。这个图也是我们空中冷原子钟的工作原理图。

在空之间做一个冷原子钟有多难？

在Tai 空中，我们希望原子每隔几秒钟就被冷却、囚禁，然后抛出去。我们希望它沿着指定的直线以非常缓慢而均匀的直线运动，并且这种运动是循环的，持续数年。在这个过程中，各种精确的原子级操作都要完成。做这样的空冷原子钟非常非常困难。

从2010年10月接到任务到2016年交出正品样品的五年，让人难以忍受。我不想回忆当时的场景，因为我们从早到晚都在实验室里，没有白天也没有黑夜，也不知道外面四季的变化。

现在经常有人给我们讲“996”“007”的工作条件，我们基本都是笑笑，因为那个时期来的人对这些都没有概念。

当时我们只有一个愿望，就是所有人都要把这个事情做好。这也是我们最大的收获——当一个团队中的每个人都有相同的目标时，任何困难都是无法阻挡的。

最后我们完成了所有的测试，通过了航天工程的所有环模测试，最后在天宫二号发射前上交了正飞部分。

空冷原子钟发射成功

2016年6月，我亲自把我们做的钟送到酒泉发射中心的天宫二号。当时的心情难以形容。可以想象，整个团队10年的努力都在这个钟上，以后再也不会回来了。我们对它充满期待，同时又非常舍不得放弃。

这张照片是我同事在天宫二号发射当晚在现场拍的。那是中秋节，月亮又圆又美。

当时，我在北京飞行控制中心，接受中国国家广播电台的采访。我来给全国人民讲讲世界上第一个空冷原子钟。我提前准备了很多台词，但是麦克风一开，我基本就说不出来了。

我只说了两个字来总结这个钟，一个高一个冷。它是所有冷原子钟中轨道最高的钟。它是所有高轨道原子钟中温度最低的原子钟。我用一种非常机械化的语言对全国人民说:“我们的空冷原子钟一切正常，准备就绪。”

发射当晚，我们其实很着急。因为发射成功只意味着火箭发射成功，我们工作了这么多年，为了让这个钟经受住火箭发射时的巨大震动和一切环境变化的冲击。

你知道，在实验室里，我们甚至不敢大声说话。咳嗽一声，原子跑了；车外经过，原子跑了；隔壁房间的电子仪器一开，原子就跑了……我们做了很多工作来解决这个问题。直到天宫二号发射成功后的第三天，我们才收到了来自太空的第一条原子谱线，大家的心都放下了。

也就是那个月，美国科学杂志给了我们一个特别的评论，杂志封面说:中国的空冷原子钟开始滴答了，人类地球的计时精度会变得更加精确。

这个钟已经在天上运行了34个月，今年7月19日晚上21点06分才随天宫二号返回地球。当然不是正常回归，是自然崩盘。当时我们还在开玩笑要不要去南太平洋打捞。它已经在天上为我们收集了34个月的各种数据。

从图中可以看出，它每90分钟绕地球一周，轨道高度为400公里。它一直在切割磁力线，右边的数字是它感受到的磁场强度。这个地磁场被我们削弱了一万倍。我们可以看到图片中有一个红色的圆圈。

当时看到这个图，觉得很奇怪。为什么和其他地方不一样？原来这里对应的地方是南大西洋磁场异常区，在百慕大三角附近。所以有趣的是，我们可以通过原子的行为来观察和测量地球的地磁场。

这个钟在天上已经34个月了。它预定的目标是1秒钟达到3000万年的误差，最后1秒钟达到4200万年的误差。它的一些在轨实验结果发表在《自然-通讯》杂志上。结果公布后，我们得到了许多国际专家的高度评价。

2017年我去法国参加时频会议的时候，我们项目组是第一个在当天做报告的。第二位发言者是刚才提到的法国法老贝尔项目组。

那个项目负责人的第一句话是:“很遗憾，我们只能报告地面的实验数据。非常遗憾。”因为领先的空来自天空的冷原子钟数据是我们中国人最先获得的。

2018年，NASA破例邀请中国科学家交流科学实验。为什么破例？因为从很久以前开始，他们就以国防和安全为由，禁止中国科学家参与美国的科学实验。国际空站中国人从来没去过，更别说中国科学家在上面做过实验。

但在2018年，他们不仅邀请我们做科学交流，还邀请我们的项目负责人担任2018年国际时频大会国际部主席。

当然，我们更自豪的是，中国自己的空站即将落户泰空。鉴于现有的国际站空即将退役，中国的站空将在不久的将来成为世界上唯一的站空。

下一代空内冷原子钟正在紧张研发中。在此基础上，我们还建立了许多可移动式地面冷原子钟，也进行了成功的研究。

可以想象，冷原子钟的新时代即将到来。它将摆脱实验室的束缚，应用于各种更复杂、更需要的环境，为每个人服务。

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