发条钟发明时间（追逐时间的机器）

就在不久前（2019年6月24日），美国国家航空航天局 NASA 发射了一个新型的原子钟。搭载它的是我们熟悉的——埃隆马斯克——旗下公司 SpaceX 研制的重型猎鹰号（Falcon Heavy，简称FH）。这次发射被称为 STP-2 任务，是太空测试项目（Space Test Program）的一部分。

原定于 22 日的发射因故推迟了两天，只为确保这次任务顺利完成。实际上，新型原子钟的发射和测试可能会给我们的太空探索之旅带来全新的变革。

NASA原子钟的艺术插画，原子钟“深空”被用来测试外太空导航的新技术 | Credit: NASA

这款最新的原子钟名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下属机构喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是针对现有原子钟的改造升级版。

这次的升级不是挤牙膏，而是一次大换代。有了深空的加持，航空器在长途跋涉时会更加独立，减少对地球基站的信息依赖，从而更方便的去到宇宙的深处。

原子钟的作用

原子钟可以极其精准的度量时间，在航空通信方面有广泛的应用，例如日常给我们提供 GPS 信号的卫星上就搭载了原子钟。

技术人员正在将深空安装到测试卫星上 | Credit: General Atomics

利用原子钟的道理其实很简单：光速*时间差=距离，原子钟就是计量时间差的工具。具体来说，卫星发送光电信号到地球，地球接收后再反射给卫星，这样一来一回，就产生了时间差，通过测量信号发出和接收的时间差，我们就可以计算出卫星与地球的距离。

利用这一原理，如果我们每隔一段时间就发射和测量一次，那么卫星的轨迹也就确定了。原始的描点连线方法，让我们不仅知道了它在哪，还知道了它要去哪。

这下你会说，道理我都懂，但原子钟和普通的钟表到底有什么区别？

石英钟表

现代钟表里经常使用的是一种叫石英晶体振荡器的装置。虽然听起来很复杂，但它不过是利用了石英晶体的一个特殊性质——加上电压后会以每秒 32768 次的频率振动。自带这一性质，这货简直就像是为做钟表而生的！于是你幻想着，将它装进表里，调整好电压，转换好振动频率，接上动力装置，连接指针，一个手表就做好了！

石英晶体振荡器 | Credit: 百度

既然这样，我们为何还需要原子钟呢？原来，石英晶体虽然用起来方便，但做成的钟表精确度还达不到太空标准。要知道，为了保持卫星定位 1m 以内的误差，对应的时间测量精度要达到纳秒级别，也就是精确到十亿分之一秒。

石英晶体还有另一个问题，稳定性。太空导航对计时工具的稳定性要求极高，即使最好的石英晶体表也会累积 1 纳秒/小时的误差，时间越长，误差越大。6周以后，误差可以累积到1毫秒（千分之一秒），这时对应算出的卫星位置，就有约300km的误差。

原子钟

为了追求更高的精确度和稳定性，我们利用了另一个天然稳定的频率——电子跃迁频率。

作为原子的重要组成部分，核外电子围绕原子核运动，携带不同能量的电子，运动的轨道也不同。

就像汽车一样，高速的赛车需要专门的场地来发挥，而低速的车辆就可以在普通场地上自如地绕行，我们把车的跑道叫做能级。每种元素对应的能级也是固定的，如果我们把元素比作国家，每个国家都有固定的这么一些跑道，以供不同车速的车来使用。

电子跃迁示意图

开头提到的电子跃迁频率，对应就是一辆车要加速多少才能去到下一级跑道。对同一种元素来说，电子跃迁频率的值不会改变，是宇宙范围内的固定值。

话说回来，时间单位秒（second）本身就是根据铯原子某两个能级间的跃迁频率来定义的。原子钟用电子跃迁频率来计时，正是一种巧妙的，回归本源的想法。

在原子钟深空里，使用的是汞原子，它发生1纳秒误差所需要的时间超过 4 天，1 毫秒误差要经过 10 年以上，要达到1秒误差就是 1000 万年之后的事了。

更重要的是，原子钟可以自动调整误差。

通过把汞原子结合到振动器里，我们完成了一种监控方法：如果振动器频率正确，汞原子会发生大量跃迁，否则就不会。于是汞原子成了原子钟的晴雨表，系统通过跃迁情况就可以判断误差，自动调整振动器，深空号的自我调节周期仅为几秒钟。

除了这些原子钟的常规操作之外，深空真正的特别之处在于对汞离子的使用。我们把带电的汞离子装在空腔里，由于自身的电荷，它们会被电磁场捕获，从而不再乱跑，避免了它们与空腔壁的作用。在传统原子钟里，我们使用的是不带电的原子，它们四处乱窜，就很容易受到空腔壁的干扰。

NASA 为了庆祝原子钟深空的诞生而发布的海报，一个面包机大小的装置就可以颠覆航空器长途导航和探索的方式。 | Credit: NASA/JPL-Caltech

有了新技术的加持，深空的稳定性更上一层楼，比 GPS 卫星上搭载的原子钟提高了 50 倍。这样一来，说它是太空中最准的钟表也不为过了。

深空的展望

对于普通的卫星来说，它们搭载的原子钟仍然离不开地球上大型原子钟的校准。冰箱一般大小的地面原子钟肩负着给太空兄弟校准的重任，它不能在太空环境里使用，但本身非常的稳定，每天会给其他原子钟提供两次校准服务。

现在，有了深空的帮助，我们的飞行器不再需要高频率的校准了，它们可以自给自足来测量当前的准确方位，给自己导航。同时也可以飞得更远，而不用担心长距离通信带来的种种问题。深空的出现，无疑让天文学家手里的风筝线变得更长了一些。

来源：牛油果进化论

编辑：Tim

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