時(shí)間是什么？或許有人會(huì)低頭看看手表，說出當(dāng)下的時(shí)刻。是的，時(shí)鐘會(huì)告訴我們時(shí)間，它是我們生活不可或缺的一部分。在確定時(shí)間起點(diǎn)之后，用世紀(jì)、年、月、日、時(shí)、分、秒來記錄時(shí)刻值，就好像一把尺子。

當(dāng)人類意識(shí)到時(shí)間的流逝，便開始利用周期性現(xiàn)象對(duì)時(shí)間進(jìn)行追蹤。遠(yuǎn)古時(shí)期，人類通過草木枯榮判定季節(jié)，通過觀察太陽、月亮在天空中的運(yùn)動(dòng)來判斷時(shí)間，日出而作，日落而息。后來，人們探索出了通過滴水來計(jì)時(shí)的水鐘，流沙計(jì)時(shí)的沙漏等。二戰(zhàn)后，美國國家物理實(shí)驗(yàn)室研制出了世界上第一臺(tái)原子鐘，但這個(gè)鐘需要一個(gè)房間的設(shè)備，復(fù)雜度過高，實(shí)用性不強(qiáng)，但代表了人類一個(gè)歷史性的跨越。1967年，秒長的定義溯源到了原子上。此后，各種原子鐘相繼問世，成了目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具，實(shí)用性也越來越高，能夠滿足多種場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

原子鐘其實(shí)離人們?nèi)粘Ｉ詈芙＠?，原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著“心臟”般的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航使人們的日常生活變得非常便捷，當(dāng)我們拿出手機(jī)打開導(dǎo)航軟件，能夠看到自己的地理位置，輸入目的地，導(dǎo)航軟件能夠規(guī)劃路線，且實(shí)時(shí)告訴我們需要向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)。這是如何做到的呢？

我們先來看一下衛(wèi)星導(dǎo)航與定位的原理。在三維空間中，建立坐標(biāo)系，當(dāng)已知3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及第四個(gè)未知點(diǎn)分別與已知點(diǎn)之間的距離，那么未知點(diǎn)的坐標(biāo)就可以被確定。同理，當(dāng)我們?cè)诘厍蛏涎鐾炜?，至少能夠同時(shí)看到3顆衛(wèi)星，衛(wèi)星飛行在自己的軌道上，它的運(yùn)行軌跡被編入星歷，同時(shí)接收3顆衛(wèi)星發(fā)來的星歷，經(jīng)過解算，可以知道衛(wèi)星的位置。此外，還需要知道我們與衛(wèi)星之間的距離，物理學(xué)知識(shí)告訴我們，距離等于速度乘以時(shí)間，光傳播速度是每秒30萬公里，所以只需要知道信號(hào)傳播時(shí)間就可以了。此時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)航定位的關(guān)鍵便是時(shí)間的測(cè)量。

這就需要原子鐘隆重登場(chǎng)了，每顆衛(wèi)星及地面站里都配備了一組原子鐘，時(shí)間信號(hào)隨星歷一同發(fā)送，在解算衛(wèi)星位置的過程中，也能夠同時(shí)得到時(shí)間信息以及距離。這樣，我們的位置便可以被計(jì)算出來。

日常生活中的手機(jī)等電子產(chǎn)品，通常內(nèi)置了導(dǎo)航模塊，能夠?qū)崟r(shí)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并依據(jù)一定的算法進(jìn)行解算。于是，便有了我們對(duì)自身位置的實(shí)時(shí)掌控。如果原子鐘提供的時(shí)間誤差在1微秒，那么定位誤差將高達(dá)300米。如果要達(dá)到米量級(jí)的導(dǎo)航，在不考慮其他誤差因素的情況下，原子鐘提供的時(shí)間誤差需保持在3納秒。也就是說，時(shí)間的精密測(cè)量決定了導(dǎo)航定位的精度，如果沒有原子鐘，就無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)航了。

原子鐘究竟有多準(zhǔn)呢？讓我們來跟常見的機(jī)械手表、石英鐘對(duì)比一下。當(dāng)我們帶著機(jī)械手表開著車，繞著北京四環(huán)跑1圈，大概1個(gè)小時(shí)吧，機(jī)械手表就偏差了1秒；對(duì)于石英鐘來說，偏差1秒差不多需要270年，也就是說，假如我們帶著一塊石英鐘回到清朝，在乾隆下江南偶遇夏雨荷時(shí)送給她，那么，到2022年的今天，這塊表只偏差了1秒；原子鐘偏差1秒需要多久呢，3000萬年！假如我們送給地球上最后一只霸王龍一臺(tái)原子鐘，那么到今天，這臺(tái)原子鐘只偏差了2秒。

放眼元素周期表上100多種元素，適合研制原子鐘的只有10余種，而這些原子，又有著不同的脾氣與秉性，需要被小心翼翼地區(qū)別對(duì)待。因此，抓住原子之后呢，科學(xué)家還要保證它們不被外界磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度變化等打擾。一臺(tái)原子鐘的復(fù)雜程度也許會(huì)超出人們的想象，可能會(huì)用到數(shù)十顆螺絲釘，數(shù)百個(gè)電子元器件，經(jīng)過上千次測(cè)試驗(yàn)證，凝結(jié)著無數(shù)科研工作者的心血。

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浩瀚宇宙中藏著未知的秘密，我們渴望知道黑洞里面是什么樣子，我們渴望看到引力波的痕跡，我們也渴望與地球外的生物對(duì)話，這些對(duì)未知的向往，使人類從未停止對(duì)時(shí)間頻率測(cè)量精度的追求，原子鐘精度的紀(jì)錄還在被不斷刷新。一臺(tái)臺(tái)服務(wù)生活的原子鐘，是航天事業(yè)工作者不懈努力的結(jié)果，是繼續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力，更是航天精神的映照。

(作者：中國航天科工二院203所設(shè)計(jì)師)