“一個(ge) 全新的冷原子鍾的時代即將到來。它將會(hui) 擺脫實驗室的束縛，應用到各種更加複雜、更加需要的環境中去，為(wei) 大家服務。”

首先我問大家一個(ge) 問題，什麽(me) 是時間？這個(ge) 問題聽起來好像很熟悉，我們(men) 每個(ge) 人每天都不停地在看時間，但是當有人問你“時間是什麽(me) ”的時候，可能就不是那麽(me) 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(ge) 問題，我想我知道什麽(me) 是時間；可如果有人一問我，我就什麽(me) 都不知道了。”愛因斯坦也說過這個(ge) 問題，當有人問他什麽(me) 是時間，愛因斯坦說：“空間和時間隻是我們(men) 人類思考的模式，並不是我們(men) 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麽(me) 。大家如果有興(xing) 趣，可以去看一看霍金大神寫(xie) 的那本書(shu) ——《時間簡史》。

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

大家看，古時候我們(men) 分辨時間，就是看太陽、看月亮、看星星的周期運動。通過它們(men) 的位置，我們(men) 能夠簡單地判斷時間。我們(men) 稱這類鍾為(wei) 自然鍾。自然鍾沒有什麽(me) 精確度可言，大概就是能知道現在是上午、下午還是傍晚。

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

它就是日晷。這個(ge) 日晷最近在一部電視劇裏可火了，這部電視劇叫《長安十二時辰》。

下麵的那個(ge) 沙漏也是用來記錄時刻的。每次把沙漏倒過來，沙子會(hui) 流到底下；再倒過來，沙子又會(hui) 反過來流。沙漏有一個(ge) 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(wei) 時鍾。要成為(wei) 時鍾，必須還有一個(ge) 條件——能夠不斷地彌補損失的能量。所以，後來人們(men) 發明了水鍾和各種機器鍾擺，利用風能、電能等讓這些鍾始終不停地運轉，我們(men) 稱這類鍾為(wei) 人造鍾。

這是法國一個(ge) 叫貝桑鬆的小鎮，那裏非常小，風景非常優(you) 美。在那裏我看到了這台鍾。貝桑鬆雖然麵積不大，但卻是世界時間頻率的中心。每兩(liang) 年一次的世界時頻大會(hui) 都在這個(ge) 小鎮召開，所以那裏聚集了人類曆史上最精確、最好的一些時鍾。

大家看這台鍾，這是它的正麵和背麵。像這樣的一台鍾，精度就非常高了。它能高到什麽(me) 程度呢？高到10-8這個(ge) 量級。換句話說，一年也就誤差一兩(liang) 秒。

當然，現代人不可能每家都有一台這樣的鍾。我們(men) 現在都用非常好的機械手表、石英表來計時。

那你們(men) 知道機械表和石英表的精度是多少嗎？有人說是“秒”。秒，隻是它的分辨率，現在好的石英表已經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。

是不是有這樣的表就夠了呢？我們(men) 還需要更精確的時鍾嗎？

我給大家兩(liang) 個(ge) 數字：如果一天的計時誤差超過千分之一秒，那麽(me) 通信網絡、交通、金融係統、安全、電網發電等，就會(hui) 陷入混亂(luan) ；如果一天的計時誤差超過十億(yi) 分之一秒，那麽(me) 咱們(men) 的導航定位係統就不能像現在有這麽(me) 高的精度了。

現在我們(men) 的衛星導航定位係統，它的精度大概在3米～10米的範圍內(nei) 波動。如果我們(men) 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(er) 去了。

用什麽(me) 樣的鍾才能夠實現這麽(me) 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明了一種神奇的方法，叫分離振蕩法。用分離振蕩法可以把原子的振蕩頻率給提取出來，作為(wei) 計時器的周期運動。

因為(wei) 原子的振蕩頻率非常穩定，而且非常快，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，由於(yu) 原子非常穩定的結構，所以我們(men) 能利用它來研製既準又穩的時鍾——原子鍾。

當有了原子鍾以後，人類的科技進步就開始騰飛了。而且在過去的幾十年裏，每10年原子鍾的精度都會(hui) 提高一個(ge) 數量級。現在，原子鍾主要運用在GPS或者北鬥上麵，比如氫原子鍾，還有常見的銫原子鍾、銣原子鍾，等等。

它們(men) 的誤差可以達到數十萬(wan) 年，甚至是數百萬(wan) 年誤差一秒。但是問題來了，是不是這樣就夠了呢？現在原子鍾的精度能不能無限地再往上麵增加呢？

答案是，很難。因為(wei) 原子鍾的精度在20世紀末已經達到了一個(ge) 瓶頸，基本上到了這個(ge) 數量級的時候，精度已經很難提高了。而精度提高最大的限製在於(yu) ，原子本身的熱運動沒有辦法消除。

原子的熱性運動是什麽(me) ？原子又是怎麽(me) 回事？我們(men) 現在需要的是優(you) 於(yu) 3000萬(wan) 年誤差1秒的空間原子鍾，下一代的導航係統也需要更高精度的空間原子鍾。

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

我打個(ge) 比方，我們(men) 想坐宇宙飛船去太陽係最邊上的冥王星，如果用現在的導航係統進行定位，可能永遠也到不了冥王星，因為(wei) 誤差實在是太大了。

進行深空導航，必須要有優(you) 於(yu) 3000萬(wan) 年誤差1秒的原子鍾才行。怎麽(me) 樣才能得到更高精度的原子鍾呢？在電影《複仇者聯盟》中，滅霸手指一打，蜘蛛俠(xia) 就灰飛煙滅了。

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

原子究竟是什麽(me) ？原子是組成人體(ti) 最基本的單位，最基本的粒子。但是原子有一個(ge) 特點，那就是化學攻擊對它沒有傷(shang) 害。換句話說，如果我們(men) 把化學攻擊稱之為(wei) 魔法的話，那原子對魔法攻擊是免疫的。

什麽(me) 東(dong) 西對原子會(hui) 形成傷(shang) 害呢？對，物理攻擊。那什麽(me) 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(men) 就發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麽(me) 是激光冷卻，隻是在查文獻的時候突然查到了激光冷卻這一概念。因為(wei) 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(ge) 概念我隻在小時候看一部動畫片的時候聽說過，印象還挺深刻。可能年齡跟我差不多的人都看過這部動畫片——《聖鬥士星矢》。片裏有一個(ge) 聖鬥士叫冰河，冰河升級到最後，可以做到一拳打出鑽石星辰拳，把他的師傅給凍住，那一拳就叫絕對零度。

什麽(me) 是絕對零度？絕對零度能把原子都凍住。我們(men) 知道，零度會(hui) 讓水結成冰，變成固體(ti) ；零下200℃的時候，空氣會(hui) 結成冰，變成固體(ti) ；零下273.15℃的時候，原子就會(hui) 靜止不動，被凍住，這個(ge) 溫度就叫絕對零度。

2000年畢業(ye) 後，我就來到了中國科學院上海光學精密機械研究所。因為(wei) 當時我查到，全中國隻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，我一頭紮進冷原子的世界就是20年。

用冷原子可以大幅度提高原子鍾的精度。但怎麽(me) 樣用這個(ge) 原子鍾呢？大家看這張圖，這是星間鏈路圖。

從(cong) 圖中我們(men) 可以看到北鬥的星載原子鍾和其他導航係統的星載原子鍾，如果在這個(ge) 星間鏈路裏有一個(ge) 空間冷原子鍾，那就不得了了。這個(ge) 空間冷原子鍾可以將它的超高精度，直接點對點地傳(chuan) 給所有衛星。

大家知道，現在衛星上的原子鍾要靠不斷地跟地麵上的冷原子鍾進行比對，才能夠獲得相應的精度。但因為(wei) 天地之間隔著大氣層，雲(yun) 層的變化和電離層的變化都會(hui) 導致比對過程中產(chan) 生波動。

如果在天上就有一個(ge) 高精度的基準，那所有原子鍾的精度不就直接提高了嗎？所以冷原子鍾的運用前景是非常可觀的。

如果我們(men) 實現了這個(ge) 願景，就可以把現在導航係統的定位精度從(cong) 10米降到米以下，甚至到厘米、毫米以下。那個(ge) 時候，無人駕駛、智能汽車就可以真正實現大範圍應用了。不過要把冷原子鍾送上天，非常困難。

冷原子鍾技術非常複雜，現在，全世界隻有發達國家的十幾個(ge) 國家級實驗室擁有冷原子鍾技術。大家都希望把這樣一台冷原子鍾送上太空。

從(cong) 1997年開始，歐洲空間局（ESA）就開始了他們(men) 的空間冷原子鍾計劃，他們(men) 管這台鍾叫法老鍾，這台鍾已經研製20多年了，還沒有被發射成功。1999年美國航天局（NASA）也啟動了類似項目。

中國當然不會(hui) 落後，因為(wei) 我們(men) 的科學家意識到，在這個(ge) 領域我們(men) 絕對不能落後。2005年的時候，我們(men) 開始了中國自己的空間冷原子鍾研製計劃。

結果如何呢？到現在，ESA和NASA還沒有實現目標，但中國在2016年的時候就實現了。這就是“天宮二號”空間冷原子鍾的由來。

那麽(me) ，是一個(ge) 什麽(me) 樣的研製團體(ti) 做出了世界上第一台空間冷原子鍾呢？左圖這位就是我們(men) 實驗室的創始人——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(cong) 事原子鍾方麵的工作。我們(men) 是第一個(ge) 開始激光冷卻原子實驗的團隊，第一個(ge) 做出中國第一台投入使用的原子鍾的團隊，第一個(ge) 做出空間冷原子鍾的團隊。

我從(cong) 2000年進入這個(ge) 團隊，開始做激光冷卻實驗，5年後我們(men) 做出了中國第一個(ge) 玻色-愛因斯坦凝聚體(ti) 。那時候我們(men) 的激光冷卻技術已經非常成熟了，於(yu) 是開始做空間冷原子鍾。這是我們(men) 從(cong) 一個(ge) 完全空白的實驗室建起來的空間冷原子鍾的原理樣機。

這個(ge) 樣機占滿了整個(ge) 實驗室。當時原理樣機做出來以後，我們(men) 非常興(xing) 奮，非常激動，趕緊把整個(ge) 成果報了上去，告訴國家，我們(men) 已經通過了空間冷原子鍾的物理原理實驗。

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(ge) 賓館裏，我們(men) 開始了封閉學習(xi) ：從(cong) 早晨9點到晚上9點，一堆專(zhuan) 家都在日夜不停地給我們(men) 開會(hui) ，不停地給我們(men) 上課。

上什麽(me) 課？上航天工程課。為(wei) 什麽(me) 要上航天工程課？因為(wei) 我們(men) 是從(cong) 事物理研究的，是做科研的，我們(men) 每天隻會(hui) 做實驗，但現在國家要求我們(men) 把這個(ge) 實驗搬到天上去。

聽完相關(guan) 報告後，我們(men) 整個(ge) 後背都是涼的，汗都下來了。為(wei) 什麽(me) 呢？大家看看這兩(liang) 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”上的冷原子鍾占的空間。

“天宮二號”上還要搭載14個(ge) 高精度的科學儀(yi) 器和載荷，留給冷原子鍾的整體(ti) 空間大幅縮小了。除了空間要縮小，體(ti) 重也要控製在70千克以內(nei) 。這簡直是開玩笑！要知道，當時那個(ge) 原理樣機有500多千克重。而且，要求整個(ge) 冷原子鍾的長度不許超過一米，高度不超過半米。

更不可思議的是，冷原子鍾的功率隻能有100瓦。100瓦是什麽(me) 概念？現在一個(ge) 台式電腦都有好幾百瓦的功率，一個(ge) 滿負荷運轉的微波爐都有1000多瓦的功率。100瓦夠我們(men) 幹什麽(me) ？

現在我再來解釋一下什麽(me) 叫激光冷卻原子。左圖是風暴雲(yun) 圖，風暴的中心叫風暴眼，風暴眼的狀態其實是非常安靜的，但風暴眼外的物體(ti) 就會(hui) 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(chan) 生一個(ge) 場，用激光在原子的周圍產(chan) 生一個(ge) 囚禁的牢籠，把原子抓在裏麵，不讓它出來。然後不斷地冷卻它，不斷地把它的能量進行吸收和消化，最後讓原子靜止在裏麵。可以想象，這至少要從(cong) X、Y、Z三個(ge) 方向對原子進行束縛，原子才跑不出去。
好，概念弄清楚了。現在我們(men) 至少需要有六束激光對著原子照，才能把原子抓在裏麵，不讓它出來。可是，100瓦的能量夠我們(men) 幹什麽(me) ？

我們(men) 最多隻能有兩(liang) 束激光。一般情況下用六束激光才能完成的事情，現在讓我們(men) 隻用兩(liang) 束激光來完成，這根本沒辦法完成啊！但工作必須得幹。最後我們(men) 做出了這樣一套係統。

這套係統就是通過兩(liang) 束光的多次反射完成的，這樣就不會(hui) 浪費一點點的能量，我們(men) 最終做了一個(ge) 原子的激光囚籠，把原子裝在了裏麵。這張圖也就是我們(men) 的空間冷原子鍾的工作原理圖。

做成空間冷原子鍾到底有多麽(me) 難呢？

在太空裏，我們(men) 要讓原子每隔幾秒鍾就被冷卻、囚禁，然後再被拋出去，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(ge) 運動是循環往複，經年不息。在這個(ge) 過程中，還要完成各種各樣精密的原子能級操作。做這樣一台空間冷原子鍾，難度是非常非常大的。

從(cong) 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。我現在也不大願意去回憶那時候的情景，因為(wei) 我們(men) 每天都是從(cong) 早到晚在實驗室裏麵，沒有白天，沒有黑夜，也不知道外麵四季的變化。

現在經常有人跟我們(men) 說“996”、“007”的工作狀態如何如何，我們(men) 基本上都是笑一笑，因為(wei) 從(cong) 那個(ge) 時期走過來的人，對這些已經沒有概念了。

當時的我們(men) 隻有一個(ge) 願望，那就是所有人必須要把這件事情做成，做好。這也是我們(men) 最大的收獲——當一個(ge) 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(men) 完成了所有的測驗，經過了航天工程所有環模試驗的考驗，終於(yu) 趕在“天宮二號”發射之前把正樣飛行件交了出來。

2016年的6月，我在酒泉發射中心親(qin) 手把我們(men) 做的這台鍾送上了“天宮二號”。當時的那個(ge) 心情，無法形容。大家可以想象一下，整個(ge) 團隊10年的心血就在這台鍾上，而它以後是再也不會(hui) 回來的。我們(men) 對它滿懷著期望，同時也非常不舍。

這張照片就是“天宮二號”發射那晚，我的同事在現場用手機拍下來的。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，中央人民廣播電台采訪我，讓我向全國人民說一說世界上第一台空間冷原子鍾的情況。我提前準備了很多很多的台詞，但是當話筒打開的一瞬間，我基本上是說不出話的。

我隻說了兩(liang) 個(ge) 字來概括這台鍾，一是高，二是冷。它是所有冷原子鍾裏，軌道最高的鍾；它是所有高軌原子鍾裏溫度最低的原子鍾。我用非常機械化的語言向全國人民說道：“我們(men) 的空間冷原子鍾已經一切正常，準備就緒了。”

發射的那晚，其實我們(men) 還非常焦急。因為(wei) 發射成功，隻代表火箭發射成功，我們(men) 做了這麽(me) 多年的工作，為(wei) 的就是讓這台鍾扛過火箭發射時的巨大震動，扛過所有環境變化帶來的影響。

要知道，在實驗室裏的時候，我們(men) 連大聲說話都不敢。咳嗽一聲，原子跑掉了；外麵汽車經過一下，原子跑掉了；隔壁房間的電子儀(yi) 器一打開，原子跑掉了……我們(men) 做了很多工作去解決(jue) 這一問題。直到“天宮二號”發射成功後的第三天，我們(men) 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(ge) 月，美國的《科學》雜誌給我們(men) 做了一個(ge) 專(zhuan) 題評論，雜誌封麵上寫(xie) 道：中國的空間冷原子鍾開始滴答作響，人類地球的計時精度將會(hui) 變得更加精確。

這台鍾在天上一共運行了34個(ge) 月，直到2019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(men) 還在開玩笑，說要不要跑到南太平洋那兒(er) 去把它打撈上來。它在天上的34個(ge) 月，一直給我們(men) 采集各種各樣的數據。

從(cong) 圖中我們(men) 可以看到，它每隔90分鍾繞地球一周，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(ge) 地磁場已經被我們(men) 削弱了一萬(wan) 倍。我們(men) 可以看到圖中有一個(ge) 紅色的圈。

當時看到這個(ge) 曲線圖的時候我們(men) 就感覺很奇怪，為(wei) 什麽(me) 這裏跟其他地方不一樣呢？原來，這裏對應的地方是南大西洋磁場異常區。所以很有意思，我們(men) 可以通過原子的行為(wei) 看到、測到地球的地磁場。

這台鍾在天上一共經曆了34個(ge) 月，它的預定目標是實現3000萬(wan) 年誤差1秒，最終它做到了4200萬(wan) 年誤差1秒。它的一部分在軌實驗成果發表在了《自然—通訊》雜誌上。成果發表後，我們(men) 收到了國際上很多專(zhuan) 家的高度評價(jia) 。

2017年我去法國參加時頻大會(hui) 的時候，我們(men) 項目組是當天第一個(ge) 做報告的。第二個(ge) 做報告的就是剛才提到的法國法老鍾項目組。

那個(ge) 項目的負責人一上來說的第一句話就是：“很可惜，我們(men) 隻能給大家匯報地麵上的實驗數據了。非常遺憾。”因為(wei) 來自天上的、最領先的空間冷原子鍾數據已經被我們(men) 中國人先拿到了。

2018年，美國航天局破例邀請了中國的科學家去他們(men) 那裏做科學實驗交流。為(wei) 什麽(me) 說破例？因為(wei) 從(cong) 很早以前，他們(men) 就以國防安全為(wei) 由，禁止華裔科學家參與(yu) 美國的科學實驗。國際空間站也從(cong) 來沒有中國人上去過，更別提有中國的科學家在上麵做過實驗。

但就在2018年，他們(men) 不僅(jin) 邀請我們(men) 去做科學交流，同時邀請我們(men) 的項目負責人擔任2018年國際時頻大會(hui) 國際部的主席。

當然，更令我們(men) 自豪的是，中國自己的空間站即將落戶太空。鑒於(yu) 現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(ge) 空間站。

下一代的空間冷原子鍾目前正在緊張地研發之中。以此為(wei) 基礎，我們(men) 還建立了很多可搬運的地麵冷原子鍾，這些也已研究成功。

可以想象，一個(ge) 全新的冷原子鍾的時代即將到來。它將會(hui) 擺脫實驗室的束縛，應用到各種更加複雜、更加需要的環境中去，為(wei) 大家服務。

來源：格致論道講壇立場


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情