建立中国空间站，可少不了这个高冷的“钟”
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本文来自微信公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks），作者：屈求智，原文标题：《建立中国空间站，可少不了这个高冷的“钟”！| 屈求智》
首先我问大家一个问题，什么是时间？这个问题听起来好像很熟悉，我们每个人每天都不停地在看时间，但是当有人问你“时间是什么”的时候，可能就不是那么好回答了。
古罗马时期著名的思想家奥古斯丁（Augustine of Hippo）说过：“如果没有人问我这个问题，我想我知道什么是时间；可如果有人一问我，我就什么都不知道了。”爱因斯坦也说过这个问题，当有人问他什么是时间，爱因斯坦说：“空间和时间只是我们人类思考的模式，并不是我们赖以生存的条件。”
这话很深奥。说实话，我也说不清楚时间是什么。大家如果有兴趣，可以去看一看霍金大神写的那本书——《时间简史》。
时间我说不上来，但是用来测量时间的是时钟。我倒是可以给大家解释解释。用一句最简单的话来解释时钟，它就是周期运动加一个计数器。
大家看，古时候我们分辨时间，就是看太阳、看月亮、看星星的周期运动。通过它们的位置，我们能够简单地判断时间。我们称这类钟为自然钟。自然钟没有什么精确度可言，大概就是能知道现在是上午、下午还是傍晚。
人类自然不满足于这样的结果，所以在接下去的几百年、上千年，人类发明了很多很多装置来记录时间。这张图中那个记录时间的装置叫什么？
它就是日晷。这个日晷最近在一部电视剧里可火了，这部电视剧叫《长安十二时辰》。
下面的那个沙漏也是用来记录时刻的。每次把沙漏倒过来，沙子会流到底下；再倒过来，沙子又会反过来流。沙漏有一个特点——可以等量地记录一段时间，而且时间间隔基本不变。
但是，这些都还不能称之为时钟。要成为时钟，必须还有一个条件——能够不断地弥补损失的能量。所以，后来人们发明了水钟和各种机器钟摆，利用风能、电能等让这些钟始终不停地运转，我们称这类钟为人造钟。
这是法国一个叫贝桑松的小镇，那里非常小，风景非常优美。在那里我看到了这台钟。贝桑松虽然面积不大，但却是世界时间频率的中心。每两年一次的世界时频大会都在这个小镇召开，所以那里聚集了人类历史上最精确、最好的一些时钟。
大家看这台钟，这是它的正面和背面。像这样的一台钟，精度就非常高了。它能高到什么程度呢？高到10-8这个量级。换句话说，一年也就误差一两秒。
当然，现代人不可能每家都有一台这样的钟。我们现在都用非常好的机械手表、石英表来计时。
那你们知道机械表和石英表的精度是多少吗？有人说是“秒”。秒，只是它的分辨率，现在好的石英表已经能够达到分辨毫秒以下的精度了，用它来计时，日常生活就足够了。
是不是有这样的表就够了呢？我们还需要更精确的时钟吗？
我给大家两个数字：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，就会陷入混乱；如果一天的计时误差超过十亿分之一秒，那么咱们的导航定位系统就不能像现在有这么高的精度了。
现在我们的卫星导航定位系统，它的精度大概在3米～10米的范围内波动。如果我们要进行导弹精确打击，若时间测错了，那导弹直接就不知道打哪儿去了。
用什么样的钟才能够实现这么高精度的时间测量呢？在20世纪50年代的时候，一位叫拉姆赛的科学家发明了一种神奇的方法，叫分离振荡法。用分离振荡法可以把原子的振荡频率给提取出来，作为计时器的周期运动。
因为原子的振荡频率非常稳定，而且非常快，也就是说，原子的周期运动的时间间隔非常非常小，这样可以让分辨的时间间隔也非常非常小。
同时，由于原子非常稳定的结构，所以我们能利用它来研制既准又稳的时钟——原子钟。
当有了原子钟以后，人类的科技进步就开始腾飞了。而且在过去的几十年里，每10年原子钟的精度都会提高一个数量级。现在，原子钟主要运用在GPS或者北斗上面，比如氢原子钟，还有常见的铯原子钟、铷原子钟，等等。
它们的误差可以达到数十万年，甚至是数百万年误差一秒。但是问题来了，是不是这样就够了呢？现在原子钟的精度能不能无限地再往上面增加呢？
答案是，很难。因为原子钟的精度在20世纪末已经达到了一个瓶颈，基本上到了这个数量级的时候，精度已经很难提高了。而精度提高最大的限制在于，原子本身的热运动没有办法消除。
原子的热性运动是什么？原子又是怎么回事？我们现在需要的是优于3000万年误差1秒的空间原子钟，下一代的导航系统也需要更高精度的空间原子钟。
如果我们进行深空探测的反向定位，就是把我们的卫星反过来朝向太空，去进行太空定位的时候，大家想象一下，现在的这种10米、3米的精度够不够？
我打个比方，我们想坐宇宙飞船去太阳系最边上的冥王星，如果用现在的导航系统进行定位，可能永远也到不了冥王星，因为误差实在是太大了。
进行深空导航，必须要有优于3000万年误差1秒的原子钟才行。怎么样才能得到更高精度的原子钟呢？在电影《复仇者联盟》中，灭霸手指一打，蜘蛛侠就灰飞烟灭了。
当蜘蛛侠变成小黑点的时候，我就在想，那一共有多少个小黑点呢？有没有人知道大概的数量级？如果以一个60千克重量的普通成人计算，那将有2.4×1027个原子。
原子究竟是什么？原子是组成人体最基本的单位，最基本的粒子。但是原子有一个特点，那就是化学攻击对它没有伤害。换句话说，如果我们把化学攻击称之为魔法的话，那原子对魔法攻击是免疫的。
什么东西对原子会形成伤害呢？对，物理攻击。那什么样的武器可以攻击原子呢？答案是激光。而最近30年，科学家们就发明了用激光来冷却原子的方法。
以前正在上大学的我也搞不懂什么是激光冷却，只是在查文献的时候突然查到了激光冷却这一概念。因为当时我很好奇，所以就看了一下。文献中说，激光冷却可以把原子冷却到绝对零度。
绝对零度这个概念我只在小时候看一部动画片的时候听说过，印象还挺深刻。可能年龄跟我差不多的人都看过这部动画片——《圣斗士星矢》。片里有一个圣斗士叫冰河，冰河升级到最后，可以做到一拳打出钻石星辰拳，把他的师傅给冻住，那一拳就叫绝对零度。
什么是绝对零度？绝对零度能把原子都冻住。我们知道，零度会让水结成冰，变成固体；零下200℃的时候，空气会结成冰，变成固体；零下273.15℃的时候，原子就会静止不动，被冻住，这个温度就叫绝对零度。
2000年毕业后，我就来到了中国科学院上海光学精密机械研究所。因为当时我查到，全中国只有上海光机所在开展激光冷却的实验，所以我就跑过来了。这一来不要紧，我一头扎进冷原子的世界就是20年。
用冷原子可以大幅度提高原子钟的精度。但怎么样用这个原子钟呢？大家看这张图，这是星间链路图。
从图中我们可以看到北斗的星载原子钟和其他导航系统的星载原子钟，如果在这个星间链路里有一个空间冷原子钟，那就不得了了。这个空间冷原子钟可以将它的超高精度，直接点对点地传给所有卫星。
大家知道，现在卫星上的原子钟要靠不断地跟地面上的冷原子钟进行比对，才能够获得相应的精度。但因为天地之间隔着大气层，云层的变化和电离层的变化都会导致比对过程中产生波动。
如果在天上就有一个高精度的基准，那所有原子钟的精度不就直接提高了吗？所以冷原子钟的运用前景是非常可观的。
如果我们实现了这个愿景，就可以把现在导航系统的定位精度从10米降到米以下，甚至到厘米、毫米以下。那个时候，无人驾驶、智能汽车就可以真正实现大范围应用了。不过要把冷原子钟送上天，非常困难。
冷原子钟技术非常复杂，现在，全世界只有发达国家的十几个国家级实验室拥有冷原子钟技术。大家都希望把这样一台冷原子钟送上太空。
从1997年开始，欧洲空间局（ESA）就开始了他们的空间冷原子钟计划，他们管这台钟叫法老钟，这台钟已经研制20多年了，还没有被发射成功。1999年美国航天局（NASA）也启动了类似项目。
中国当然不会落后，因为我们的科学家意识到，在这个领域我们绝对不能落后。2005年的时候，我们开始了中国自己的空间冷原子钟研制计划。
结果如何呢？到现在，ESA和NASA还没有实现目标，但中国在2016年的时候就实现了。这就是“天宫二号”空间冷原子钟的由来。
那么，是一个什么样的研制团体做出了世界上第一台空间冷原子钟呢？左图这位就是我们实验室的创始人——王育竹院士。
在王院士的带领下，50年来三代科学工作者一直在从事原子钟方面的工作。我们是第一个开始激光冷却原子实验的团队，第一个做出中国第一台投入使用的原子钟的团队，第一个做出空间冷原子钟的团队。
我从2000年进入这个团队，开始做激光冷却实验，5年后我们做出了中国第一个玻色–爱因斯坦凝聚体。那时候我们的激光冷却技术已经非常成熟了，于是开始做空间冷原子钟。这是我们从一个完全空白的实验室建起来的空间冷原子钟的原理样机。
这个样机占满了整个实验室。当时原理样机做出来以后，我们非常兴奋，非常激动，赶紧把整个成果报了上去，告诉国家，我们已经通过了空间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，成员都被召到了北京航天城。在航天城旁边的一个宾馆里，我们开始了封闭学习：从早晨9点到晚上9点，一堆专家都在日夜不停地给我们开会，不停地给我们上课。
上什么课？上航天工程课。为什么要上航天工程课？因为我们是从事物理研究的，是做科研的，我们每天只会做实验，但现在国家要求我们把这个实验搬到天上去。
听完相关报告后，我们整个后背都是凉的，汗都下来了。为什么呢？大家看看这两张对比图，紫色部分就是当时原理样机在实验室所占的空间，红色部分代表“天宫二号”上的冷原子钟占的空间。
“天宫二号”上还要搭载14个高精度的科学仪器和载荷，留给冷原子钟的整体空间大幅缩小了。除了空间要缩小，体重也要控制在70千克以内。这简直是开玩笑！要知道，当时那个原理样机有500多千克重。而且，要求整个冷原子钟的长度不许超过一米，高度不超过半米。
更不可思议的是，冷原子钟的功率只能有100瓦。100瓦是什么概念？现在一个台式电脑都有好几百瓦的功率，一个满负荷运转的微波炉都有1000多瓦的功率。100瓦够我们干什么？
现在我再来解释一下什么叫激光冷却原子。左图是风暴云图，风暴的中心叫风暴眼，风暴眼的状态其实是非常安静的，但风暴眼外的物体就会受到强大的力量挤压。
激光冷却的概念就是要在原子的周围产生一个场，用激光在原子的周围产生一个囚禁的牢笼，把原子抓在里面，不让它出来。然后不断地冷却它，不断地把它的能量进行吸收和消化，最后让原子静止在里面。可以想象，这至少要从X、Y、Z三个方向对原子进行束缚，原子才跑不出去。
好，概念弄清楚了。现在我们至少需要有六束激光对着原子照，才能把原子抓在里面，不让它出来。可是，100瓦的能量够我们干什么？
我们最多只能有两束激光。一般情况下用六束激光才能完成的事情，现在让我们只用两束激光来完成，这根本没办法完成啊！但工作必须得干。最后我们做出了这样一套系统。
这套系统就是通过两束光的多次反射完成的，这样就不会浪费一点点的能量，我们最终做了一个原子的激光囚笼，把原子装在了里面。这张图也就是我们的空间冷原子钟的工作原理图。
做成空间冷原子钟到底有多么难呢？
在太空里，我们要让原子每隔几秒钟就被冷却、囚禁，然后再被抛出去，要让它沿着一条指定的直线做非常慢的匀速直线运动，而且这个运动是循环往复，经年不息。在这个过程中，还要完成各种各样精密的原子能级操作。做这样一台空间冷原子钟，难度是非常非常大的。
从2010年10月接到任务，到2016年交出正样件，这5年是不堪回首的5年。我现在也不大愿意去回忆那时候的情景，因为我们每天都是从早到晚在实验室里面，没有白天，没有黑夜，也不知道外面四季的变化。
现在经常有人跟我们说“996”、“007”的工作状态如何如何，我们基本上都是笑一笑，因为从那个时期走过来的人，对这些已经没有概念了。
当时的我们只有一个愿望，那就是所有人必须要把这件事情做成，做好。这也是我们最大的收获——当一个团队的所有人目标一致的时候，任何困难都挡不住。
最终，我们完成了所有的测验，经过了航天工程所有环模试验的考验，终于赶在“天宫二号”发射之前把正样飞行件交了出来。
2016年的6月，我在酒泉发射中心亲手把我们做的这台钟送上了“天宫二号”。当时的那个心情，无法形容。大家可以想象一下，整个团队10年的心血就在这台钟上，而它以后是再也不会回来的。我们对它满怀着期望，同时也非常不舍。
这张照片就是“天宫二号”发射那晚，我的同事在现场用手机拍下来的。那天是中秋，月亮非常圆，非常漂亮。
当时我在北京的飞控中心，中央人民广播电台采访我，让我向全国人民说一说世界上第一台空间冷原子钟的情况。我提前准备了很多很多的台词，但是当话筒打开的一瞬间，我基本上是说不出话的。
我只说了两个字来概括这台钟，一是高，二是冷。它是所有冷原子钟里，轨道最高的钟；它是所有高轨原子钟里温度最低的原子钟。我用非常机械化的语言向全国人民说道：“我们的空间冷原子钟已经一切正常，准备就绪了。”
发射的那晚，其实我们还非常焦急。因为发射成功，只代表火箭发射成功，我们做了这么多年的工作，为的就是让这台钟扛过火箭发射时的巨大震动，扛过所有环境变化带来的影响。
要知道，在实验室里的时候，我们连大声说话都不敢。咳嗽一声，原子跑掉了；外面汽车经过一下，原子跑掉了；隔壁房间的电子仪器一打开，原子跑掉了……我们做了很多工作去解决这一问题。直到“天宫二号”发射成功后的第三天，我们收到了第一条来自太空的原子谱线，大家的心才放下来。
也就是在那个月，美国的《科学》杂志给我们做了一个专题评论，杂志封面上写道：中国的空间冷原子钟开始滴答作响，人类地球的计时精度将会变得更加精确。
这台钟在天上一共运行了34个月，直到2019年的7月19日晚上21点06分，它才跟着“天宫二号”一起返回地球。当然不是正常返回，是自然坠毁的。当时我们还在开玩笑，说要不要跑到南太平洋那儿去把它打捞上来。它在天上的34个月，一直给我们采集各种各样的数据。
从图中我们可以看到，它每隔90分钟绕地球一周，轨道高度400千米。它一直在切割磁力线，右图就是它所感受到的磁场强度图。这个地磁场已经被我们削弱了一万倍。我们可以看到图中有一个红色的圈。
当时看到这个曲线图的时候我们就感觉很奇怪，为什么这里跟其他地方不一样呢？原来，这里对应的地方是南大西洋磁场异常区。所以很有意思，我们可以通过原子的行为看到、测到地球的地磁场。
这台钟在天上一共经历了34个月，它的预定目标是实现3000万年误差1秒，最终它做到了4200万年误差1秒。它的一部分在轨实验成果发表在了《自然-通讯》杂志上。成果发表后，我们收到了国际上很多专家的高度评价。
2017年我去法国参加时频大会的时候，我们项目组是当天第一个做报告的。第二个做报告的就是刚才提到的法国法老钟项目组。
那个项目的负责人一上来说的第一句话就是：“很可惜，我们只能给大家汇报地面上的实验数据了。非常遗憾。”因为来自天上的、最领先的空间冷原子钟数据已经被我们中国人先拿到了。
2018年，美国航天局破例邀请了中国的科学家去他们那里做科学实验交流。为什么说破例？因为从很早以前，他们就以国防安全为由，禁止华裔科学家参与美国的科学实验。国际空间站也从来没有中国人上去过，更别提有中国的科学家在上面做过实验。
但就在2018年，他们不仅邀请我们去做科学交流，同时邀请我们的项目负责人担任2018年国际时频大会国际部的主席。
当然，更令我们自豪的是，中国自己的空间站即将落户太空。鉴于现有的国际空间站即将退役，不久的未来，中国的空间站将变成世界上唯一一个空间站。
下一代的空间冷原子钟目前正在紧张地研发之中。以此为基础，我们还建立了很多可搬运的地面冷原子钟，这些也已研究成功。
可以想象，一个全新的冷原子钟的时代即将到来。它将会摆脱实验室的束缚，应用到各种更加复杂、更加需要的环境中去，为大家服务。
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