揭开“时间魔盒”原子钟:3000万年误差不到一秒

几点了？也许有人会低头看表，说出当下的时刻。是的，时钟会告诉我们时间，它是我们生活中不可缺少的一部分。确定时间起点后，用世纪、年、月、日、时、分、秒记录时间值，就像一把尺子。

当人类意识到时间的流逝，就开始利用周期现象来追踪时间。在古代，人类通过草木的枯荣来判断季节，通过观察天上日月的运行来判断时间。他们日出时工作，日落时休息。后来人们又探索出滴水计时的水钟，流沙计时的沙漏等等。二战后，美国国家物理实验室研制出世界上第一台原子钟。但是这个钟需要一个房间的设备，太复杂了，不实用，但是代表了人类历史性的飞跃。1967年，秒长的定义追溯到原子。此后，各种原子钟相继问世，成为世界上最精确的计时工具，实用性越来越高，可以满足各种场景的应用需求。

原子钟其实很贴近人们的日常生活。例如，原子钟在卫星导航系统中起着“心脏”的作用。卫星导航使人们的日常生活非常方便。当我们拿出手机，打开导航软件，就能看到我们的地理位置，输入目的地。导航软件可以规划路线，实时告诉我们需要左转还是右转。这是怎么做到的？

我们先来看看卫星导航定位的原理。在三维空间中，建立坐标系。当已知三个点的坐标和第四个未知点与已知点的距离时，就可以确定未知点的坐标。同样，当我们在地球上仰望天空时，至少可以同时看到三颗卫星。卫星在自己的轨道上飞行，它们的轨迹被编译成星历表。同时可以接收到三颗卫星发来的星历表，然后通过计算就可以知道卫星的位置。此外，我们需要知道我们和卫星之间的距离。物理学的知识告诉我们，距离等于速度乘以时间，光的传播速度是每秒30万公里，所以我们只需要知道信号的传播时间。这时我们发现导航定位的关键是时间的测量。

这就需要原子钟的隆重登场。每个卫星和地面站都配备了一套原子钟，时间信号随星历表一起发送。在计算卫星位置的过程中，还可以同时获得时间信息和距离。这样，我们的位置就可以计算出来了。

日常生活中的手机等电子产品通常内置导航模块，可以实时接收卫星发出的信号，并按照一定的算法进行求解。因此，我们可以实时控制自己的位置。如果原子钟提供的时间误差为1微秒，定位误差将高达300米。要实现米级导航，在不考虑其他误差因素的情况下，原子钟提供的时间误差应保持在3纳秒。也就是说，时间的精确测量决定了导航定位的精度，如果没有原子钟，就无法实现精确导航。

原子钟有多准？我们来对比一下常见的机械表和石英钟。我们带着机械表在北京绕四环行驶的时候，大概用了1个小时，机械表偏差了1秒；对于石英钟来说，一秒钟的偏差几乎需要270年。也就是说，如果我们带着一个石英钟回到清朝，在江南与夏相见时送给她，那么，到2022年的今天，这块表的偏差只有一秒；原子钟偏离1秒需要多长时间？三千万年！如果我们给地球上最后一只霸王龙一个原子钟，今天，这个原子钟只差了2秒。

纵观元素周期表中的100多种元素，适合发展原子钟的只有10多种，而这些原子，气质和秉性不同，需要区别对待。因此，在捕获原子后，科学家们不得不确保它们不受外部磁场、电场、温度变化等的干扰。一个原子钟的复杂程度可能会超出人们的想象，它可能要用到几十个螺丝，几百个电子元件。经过上千次的试验验证，凝聚了无数科研人员的心血。

浩瀚宇宙中隐藏着不为人知的秘密。我们渴望知道黑洞内部是什么样子，渴望看到引力波的痕迹，渴望与地球以外的生物对话。这些对未知的向往，让人类从未停止对时间和频率测量精度的追求，原子钟精度的记录也在不断被刷新。一个服务于生命的原子钟，是航天工作者不懈努力的结果，是进一步进步的动力，是航天精神的体现。