揭秘“时间魔盒”原子钟：三千万年误差小于一秒
朱玺
①时间是什么？或许有人会低头看看手表，说出当下的时刻。是的，时钟会告诉我们时间，它是我们生活不可或缺的一部分。在确定时间起点之后，用世纪、年、月、日、时、分、秒未记录时刻值，就好像一把尺子。
②当人类意识到时间的流逝，便开始利用周期性现象对时间进行追踪。远古时期，人类通过草木枯荣判定季节，通过观察太阳、月亮在天空中的运动来判断时间，日出而作，日落而息。后来，人们探索出了通过滴水来计时的水钟，流沙计时的沙漏等。二战后，美国国家物理实验室研制出了世界上第一台原子钟，但这个钟需要一个房间的设备，复杂度过高，实用性不强，但代表了人类一个历史性的跨越。1967年，秒长的定义溯源到了原子上。此后，各种原子钟相继问世，成了目前世界上最准确的计时工具，实用性也越来越强，能够满足多种场景的应用需求。
③其实原子钟离人们的日常生活很近。例如，原子钟在卫星导航系统中发挥着“心脏”般的作用。卫星导航使人们的日常生活变得非常便捷，当我们拿出手机打开导航软件，能够看到自己的地理位置，输入目的地，导航软件能够规划路线，且实时告诉我们需要向左转还是向右转。这是如何做到的呢？
④我们先来看一下卫星导航与定位的原理。在三维空间中，建立坐标系，当已知3个点的坐标以及第四个未知点分别与已知点之间的距离，那么未知点的坐标就可以被确定。同理，“当我们在地球上仰望天空，至少能够同时看到3颗卫星，卫星飞行在自己的轨道上，它的运行轨迹被编入星历，同时接收3颗卫星发来的星历，经过解算，可以知道卫星的位置。此外，还需要知道我们与卫星之间的距离，物理学知识告诉我们，距离等于速度乘以时间，光传摇速度是每秒30万公里，所以只需要知道信号传播时间就可以了。此时，我们发现，导航定位的关键便是时间的测量。
⑤这就需要原子钟隆重登场了，每颗卫星及地面站都配备了一组原子钟。时间信号随呈历一同发送，在解算卫星位置的过程中，也能够同时得到时间信息以及距离。这样，我们的位丑便可以被计算出来。
⑥日常生活中的手机等电子产品，通常内置了导航模块，能够实时接收卫星发射的估号并依据一定的算法进行解算。于是，便有了我们对自身位置的实时掌控。如果原子钟提供的时间误差在1微秒，那么定位误差将高达300米。如果要达到术量级的导航，在不考虑其他误差因素的情况下，原子钟提供的时间误差需保持在3纳秒。也就是说，时间的精密测量决定了导航定位的精度，如果没有原子钟，就无法实现准确导航了。
⑦原子钟究竟有多准呢？让我们来跟常见的机械手表、石英钟对比一下。当我们戴着机械手表开车，绕着北京四环跑1圈，大概1个小时吧，机械手表就偏差了1秒；对于石英钟未说，偏差1秒差不多需要270年，也就是说，假如我们带着一块石英钟回到清朝，在乾隆下江南偶遇夏雨荷时送给她，那么，到2022年的今天，这块表只偏差了1秒；原子钟偏差1秒需要多久呢，3000万年！假如我们送给地球上最后一只霸王龙一台原子钟，那么到今天，这台原子钟只偏差了2秒。
⑧放眼元素周期表上100多种元素，适合研制原子钟的只有10余种，而这些原子，又有着不同的脾气与秉性，需要被小心翼翼地区别对待。因此，抓住原子之后呢，科学家还要保证它们不被外界磁场、电场、温度变化等打扰。一台原子钟的复杂程度也许会超出人们的想象，可能会用到数十颗螺丝钉，数百个电子元器件，经过上千次测试验证，凝结着无数科研工作者的心血。
⑨浩瀚宇宙中藏着未知的秘密，我们渴望知道黑洞里面是什么样子，我们渴望看到引力波的痕迹，我们也渴望与地球外的生物对话，这些对未知的向往，使人类从未停止对时间频率测量精度的追求，原子钟精度的纪录还在被不断刷新。一台台服务生活的原子钟，是航天事业工作者不懈努力的结果，是继续前进的动力，更是航天精神的映照。
选自《中国青年网》 (2022年6月)
