主頁(yè)（http://www.130131.com）：原子鐘為什么能使北斗衛(wèi)星的定位精度大幅提高？

最近，“天宮二號(hào)與神州十一號(hào)載人飛行任務(wù)進(jìn)入實(shí)施階段”的新聞充斥著各大主流媒體。而“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室裝載了空間冷原子鐘、空地量子密鑰分配試驗(yàn)等14項(xiàng)空間應(yīng)用載荷。其中，首次進(jìn)入太空的空間冷原子鐘，可以將航天器自主守時(shí)精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅提高導(dǎo)航定位精度。

國(guó)務(wù)院于6月16日發(fā)布的《中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)白皮書》“二、持續(xù)建設(shè)和發(fā)展北斗系統(tǒng)（四）持續(xù)提升北斗系統(tǒng)性能”中提到：為滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求，北斗系統(tǒng)將加強(qiáng)衛(wèi)星、原子鐘、信號(hào)體制等方面的技術(shù)研發(fā)，探索發(fā)展新一代導(dǎo)航定位授時(shí)技術(shù)，持續(xù)提升服務(wù)性能。——提供全球服務(wù)。發(fā)射新一代導(dǎo)航衛(wèi)星，研制更高性能的星載原子鐘，進(jìn)一步提高衛(wèi)星性能與壽命，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的星間鏈路；增發(fā)更多的導(dǎo)航信號(hào)，加強(qiáng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作，為全球用戶提供更好的服務(wù)。

為什么會(huì)在這里強(qiáng)調(diào)“原子鐘”？一是，“原子鐘”在衛(wèi)星中非常重要，二是，目前“原子鐘”技術(shù)不夠完善。

衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理就是精確測(cè)量微波信號(hào)從衛(wèi)星走到你跟前所用的時(shí)間，再乘以光速就可以得到天上的衛(wèi)星和你之間的準(zhǔn)確距離。以前的鐘不夠準(zhǔn)，所以GPS的民用精度也就十來(lái)米。理論上如果鐘的精度提高，導(dǎo)航精度也會(huì)改善。

導(dǎo)航都依賴原子鐘，因?yàn)橹挥性�子鐘能夠在足夠小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1納秒的精度。但現(xiàn)在的導(dǎo)航衛(wèi)星，無(wú)論是GPS還是北斗，都使用普通原子鐘，也可以稱為熱原子鐘（相對(duì)冷原子鐘而言）。其基本原理是利用特殊原子（例如氫原子、銣原子、銫原子）的某個(gè)特定躍遷頻率，這個(gè)頻率有極高的穩(wěn)定性，精度可以到皮秒甚至飛秒，但原子的這個(gè)躍遷頻率不能直接用，需要通過(guò)電磁波與原子相互作用，間接地用電磁波把這個(gè)頻率導(dǎo)出來(lái)，這是原子鐘的基本原理。

在百度里搜到以下這段，感覺(jué)解釋得很清楚。

【根據(jù)量子物理學(xué)的基本原理,原子是按照不同電子排列順序的能量差,也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差,來(lái)吸收或釋放電磁能量的.這里電磁能量是不連續(xù)的.當(dāng)原子從一個(gè)“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時(shí),它便會(huì)釋放電磁波.這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的,這也就是人們所說(shuō)的共振頻率.同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周.因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來(lái)保持高度精確的時(shí)間�！�

【30年代,拉比和他的學(xué)生們?cè)诟鐐惐葋喆髮W(xué)的實(shí)驗(yàn)室里研究原子和原子核的基本特性.也就是在這里,他們?cè)谝揽窟@種原子計(jì)時(shí)器來(lái)制造時(shí)鐘方面邁出了有價(jià)值的第一步.在其研究過(guò)程中,拉比發(fā)明了一種被稱為磁共振的技術(shù).依靠這項(xiàng)技術(shù),他便能夠測(cè)量出原子的自然共振頻率.為此他還獲得了1944年諾貝爾獎(jiǎng).同年,他還首先提出“要討論討論這樣一個(gè)想法”（他的學(xué)生這樣說(shuō)道）,也就是這些共振頻率的準(zhǔn)確性如此之高,完全可以用來(lái)制作高精度的時(shí)鐘.他還特別提出要利用所謂原子的“超精細(xì)躍遷”的頻率.這種超精細(xì)躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細(xì)微能量差別的狀態(tài)之間的躍遷�！�

【在這種時(shí)鐘里,一束處于某一特定“超精細(xì)狀態(tài)”的原子束穿過(guò)一個(gè)振蕩電磁場(chǎng).當(dāng)原子的超精細(xì)躍遷頻率越接近磁場(chǎng)的振蕩頻率,原子從磁場(chǎng)中吸收的能量就越多,從而產(chǎn)生從原始超精細(xì)狀態(tài)到令一狀態(tài)的躍遷.通過(guò)一個(gè)反饋回路,人們能夠調(diào)整振蕩場(chǎng)的頻率直到所有的原子完成了躍遷.原子鐘就是利用振蕩場(chǎng)的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產(chǎn)生時(shí)間脈沖的節(jié)拍器�！�

【人們?nèi)粘Ｉ�活需要知道�?zhǔn)確的時(shí)間,生產(chǎn)、科研上更是如此.人們平時(shí)所用的鐘表,精度高的大約每年會(huì)有1分鐘的誤差,這對(duì)日常生活是沒(méi)有影響的,但在要求很高的生產(chǎn)、科研中就需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具.目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘,它是20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的.原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的.由于這種電磁波非常穩(wěn)定,再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制,原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了.現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫、銫(sè)、銣(rú)等.原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬(wàn)年才誤差1秒.這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障�！�

美中不足的是，原子都有熱運(yùn)動(dòng)，常溫下大概幾百米每秒。這使得原子和電磁波的作用時(shí)間太短，導(dǎo)致得到的原子鐘精度不高，也就到納秒量級(jí)，這就是目前GPS和北斗上面正在用的原子鐘。幸運(yùn)的是，上世紀(jì)九十年代，美籍華人朱棣文發(fā)明了激光冷卻原子的技術(shù)，可以用幾束激光把原子團(tuán)冷卻到絕對(duì)零度附近，也就是讓原子幾乎一動(dòng)不動(dòng)。當(dāng)把這種冷卻后的原子放進(jìn)微波場(chǎng)的時(shí)候，原子與微波的作用時(shí)間大大加長(zhǎng)，使得原子鐘的精度顯著提高，達(dá)到了皮秒量級(jí)。

然而科學(xué)家們總是貪得無(wú)厭的，皮秒量級(jí)的精度還嫌不夠。因?yàn)樵�子團(tuán)在進(jìn)入微波場(chǎng)后，由于重力作用，很快速度變大，使得原子與微波的作用時(shí)間還是滿足不了科學(xué)家的胃口。

兜了這么一大圈，可算說(shuō)到正題了。為了繼續(xù)延長(zhǎng)原子和微波的作用時(shí)間，科學(xué)家們想到了太空，在那里沒(méi)有重力，原子理論上可以在一個(gè)位置懸浮很久，當(dāng)然由于太空飛行器的各種限制，事實(shí)上不可能無(wú)限制懸浮，但無(wú)論如何原子與微波的作用時(shí)間可以比地面增大很多，目前保守估計(jì)可以把時(shí)鐘精度再提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，如果其它方面都做到位的話，精度應(yīng)該還可以更高。

另外，天宮二號(hào)上面的冷原子鐘絕不僅僅是精度更高，它在很多方面都與地面原子鐘顯著不同。僅列舉兩個(gè)方面。由于天宮二號(hào)上面寸土寸金，空間、重量、能源的限制都非常嚴(yán)苛，因此這個(gè)鐘經(jīng)過(guò)了反復(fù)瘦身，除了核心的物理部分外，其它部分都精簡(jiǎn)精簡(jiǎn)再精簡(jiǎn)，因此這個(gè)鐘一方面比地面的冷原子鐘小巧很多，另一方面又比其它衛(wèi)星上面的普通原子鐘精密好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。另外天宮二號(hào)跟著火箭發(fā)射的過(guò)程，會(huì)有非常劇烈的振動(dòng)，這是地面冷原子鐘從來(lái)不會(huì)考慮得，地面原子鐘都在地基穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室里，恒溫恒濕，環(huán)境好得不得了，可以說(shuō)地面原子鐘就像保育室里的嬰兒，處處被小心呵護(hù)，但天宮二號(hào)的冷原子鐘則像草原上的小豹子，必須直面大自然的各種考驗(yàn)。

很快天宮二號(hào)就要發(fā)射了，冷原子鐘進(jìn)入太空是一件歷史性事件，相信會(huì)取得成功，為這個(gè)優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)加油，也為整個(gè)載人航天團(tuán)隊(duì)加油。