版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

在航天器進入太空後，每天有一項雷打不動的工作需要執行，那就是不間斷地確認自身與(yu) 地麵之間的距離有多遠。

這是為(wei) 了讓地麵控製中心更好地掌握航天器所處位置，不然在太空迷路可不是那麽(me) 容易找到回家的路。

因此在地球表麵的控製中心就會(hui) 不停地向航天器發送信號（信號以光速傳(chuan) 播），當航天器收到後，同樣也會(hui) 進行回複。

然後通過測量信號進行雙向傳(chuan) 遞所需的時間，結合距離計算公式——速度乘以時間，地麵控製中心就可以計算出航天器的飛行軌跡、所處位置及前進方向。

看起來好像挺複雜，但簡化一下，其實和我們(men) 日常生活非常相似。

假設你上班的地方距離你家有10分鍾的步行路程，並且已知你1分鍾可以走400米，那麽(me) 你可以大約計算出你家與(yu) 公司之間的距離，當你從(cong) 家中出發7分鍾後，你就可以知道你距離公司還有多遠。

而這個(ge) 7分鍾的時間我們(men) 一般是通過日常使用的時鍾來測量的。

不過航天器與(yu) 地麵控製中心之間的雙向傳(chuan) 遞時間卻不是我們(men) 日常使用的時鍾能夠精準測量的。

依照太空航行標準，用來計時的時鍾必須具有非常好的穩定性，這個(ge) 穩定性指的是時鍾可以在一定時間內(nei) 持續準確測量一個(ge) 時間單位。比如說，它在幾天甚至幾周內(nei) 對一秒長度的度量必須相同。

而我們(men) 目前大多數時鍾一般都使用石英晶體(ti) 震蕩器來計時。

這些振蕩器利用石英晶體(ti) 的“壓電效應”，通過向其施加電壓時，石英晶體(ti) 會(hui) 以精確的頻率產(chan) 生振動，而這個(ge) 振動就類似古老的擺鍾擺動，以此勾勒出時間的足跡。

可惜石英鍾並不是很穩定，即使是品質最好的石英振蕩器，僅(jin) 一個(ge) 小時後，就會(hui) 產(chan) 生十億(yi) 分之一秒的誤差，六周後，它們(men) 就可能會(hui) 偏離整整一微秒。

這對於(yu) 測量快速移動的航天器位置將產(chan) 生巨大誤差。

所以航天計時使用的是現今地球上最精準的時鍾——原子鍾。

什麽(me) 是原子鍾？

自上世紀五十年代以來，計時的黃金標準一直都是地麵原子鍾。

1948年世界第一台原子鍾

在1967年，國際計量大會(hui) 通過了把原來基於(yu) 天體(ti) 宏觀周期運動的時間單位“秒”長定義(yi) 改變為(wei) 銫133原子基態的兩(liang) 個(ge) 超精細能階間躍遷對應輻射的9,192,631,770個(ge) 周期的持續時間。

簡單來說，我們(men) 知道原子是由被電子包圍的原子核（質子和中子）組成。

而這些環繞原子核的電子並不穩定，如果受到了類似微波形式的能量衝(chong) 擊，這些電子就會(hui) 上升到原子核周圍更高的軌道（能級）。

不過，兩(liang) 個(ge) 軌道（能級）之間的激發能量是固定，多了不行，少了也不行，因此電子必須準確地接受適量的能量，才能完成躍遷，但幸好微波具有特定的頻率。

另外，使電子改變軌道（能級）所需的能量在每個(ge) 元素中是唯一的，並且對於(yu) 整個(ge) 宇宙來說都是一致的。例如，使氫原子中的電子改變能級所需的頻率對宇宙中每個(ge) 氫原子都是相同的。

正是由於(yu) 原子中這些軌道（能級）之間的能量差非常準確且穩定，原子鍾才可以達到遠超石英鍾的計時能力。

原子鍾的“太空導航”

雖然利用原子鍾可以得到信號雙向傳(chuan) 遞所需的精準時間，但目前有個(ge) 問題很尷尬。

這種雙向傳(chuan) 遞信號的方式也就意味著航天器無論離開了地球多遠，它都必須等待攜帶地球指令的信號越過無垠宇宙之間的超遠距離傳(chuan) 達過來後，再進行下一步行動。

這個(ge) 場景可不是腦補出來的，在“好奇號”航天器著陸火星之前，就發生了這樣的情況，身處地球的控製中心發出的“確認著陸”信號經過了14分鍾，“好奇號”才收到了這個(ge) 信號。

這種延遲屬於(yu) 平均等待時間：依據的是地球和火星在太陽軌道上的位置。

並且這個(ge) 問題不止尷尬，對於(yu) 未來載人航天登錄其他行星也會(hui) 有比較大的影響。

因此NASA實驗了一種方法：將原子鍾直接裝在航天器上，也稱為(wei) 深空原子鍾。

這時候航天器隻需要接收來自地麵控製中心發來的信號，上麵的原子鍾就能準確及時地得到信號傳(chuan) 達所花費的時間，然後，航天器上的宇航員就可以計算出自己的位置和軌跡，並確定在太空中的方向。

實際上，航天器上安裝原子鍾並不是新鮮事，現在的導航衛星（如中國的北鬥衛星）上都裝置了原子鍾。

當我們(men) 使用手機上的導航軟件時，衛星上的原子鍾可以根據手機信號傳(chuan) 遞到衛星所需的時間來計算我們(men) 在地球上的位置，再結合3D地圖提供導航功能。

至於(yu) 為(wei) 什麽(me) 不用衛星上的原子鍾，主要還是因為(wei) 衛星上的原子鍾穩定性不夠。盡管原子處於(yu) 真空環境中，也還是可能會(hui) 受到諸如溫度、磁場等外部因素的作用，導致頻率誤差。

但深空原子鍾使用的並非中性原子，而是自帶電子的汞離子，這樣一來，汞離子就會(hui) 被“離子陷阱”所保護，減少外界影響。

據NASA地麵測試，汞離子深空原子鍾的穩定性比GPS衛星的原子鍾高50倍。

對於(yu) 去往火星或其他行星等遙遠目的地的任務，這種高精度的原子鍾將解放航天器，使太空自動導航成為(wei) 可能。

或許在有生之年，人類真能登上火星。

由科普中國重新排版編輯

歡迎掃碼關(guan) 注深i科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！