钱江晚报·小时新闻记者郑琳
梦天舱实验柜分布
北京时间10月31日15时37分，长征五号B遥四运载火箭托举梦天实验舱升空。11月1日凌晨，梦天实验舱与天和核心舱组合体在数百公里外的太空成功对接。
与梦天实验舱一同送入太空的，有一个高性能“光原子钟”（也称光钟）。它能用于更精确地测量时间，中国也有望建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。
这其中，就有来自浙江的最新科研成果。本期，我们邀请国科大杭州高等研究院的相关专家，为大家揭开这个太空里走得最精准的光钟的秘密！
你听到的“北京时间”
其实不在北京测量
同学们每天都能听到广播电视里播报“北京时间”；打开手机，我们也能随时去系统里设置“北京时间”。大家可能以为，这个时间是在北京的某个时钟上显示的数字。
其实并不是！全国人民都一起对准的这个“北京时间”，来自于陕西省西安市临潼区中国科学院国家授时中心。
中国科学院国家授时中心
那么，国家授时中心是如何计算这个标准时间的呢？
这就要说到我们是如何计时的了。一秒钟到底是多长？在这个问题上，人类可是走了很长很长的路，在往越来越精准的方向上前进。
从前，人类只能通过太阳东升西落，来定义“一天”。然后我们把一天分成24小时，一小时60分钟，一分钟60秒。
古代中国的日晷
然而，这样定义的一秒，准确吗？显然不准确，因为地球自转时快时慢，所以根据地球自转定义的一秒也是不均匀的。
1927年，石英钟的出现，大大提升了钟表的精确度。因为石英晶体有很特殊的性质，把它通上电流，就会以每秒钟32768次的频率震动。用石英的震动来带动指针，就能得到比较精确的“一秒”。
英国格林尼治天文台的石英钟
英国的格林尼治天文台，当年就是用石英钟来得到标准时间的。然而这个时间依然会有误差，大约每一千天误差一秒。
同学们或许会觉得，这个误差够小了，一块石英表，日常生活足够用了。
然而，对于精密的科学计算和太空研究来说，这个误差还是太大了！我们必须找到更加精细和稳定的周期运动才行。
电子跃迁示意图
微观世界的“神钟”：电子跃迁
重新定义“一秒”
时间到了上世纪50年代，科学家终于在微观领域发现了一个天然稳定的“神钟”：电子跃迁频率。
“这个概念，大家在中学物理课中也学到过。电子在绕着原子核运动时，会运行在不同的轨道上，这些轨道被称为‘能级’。”国科大杭高院引力波宇宙太极实验室（杭州）特聘副研究员梁新栋告诉记者。
这就好像高速公路上不同车速的车道一样。一个电子如果“变道”，就叫“跃迁”。“从低能级到高能级跃迁是需要吸收电磁波的，反之就会发射电磁波。”
对于同一种元素来说，电子跃迁所释放或吸收的电磁波频率是固定的，这不就是一个绝妙的计时器吗？
因此，在1967年，国际计量大会重新定义了“一秒钟”：它是铯133原子基态的两个超精细能级间，跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间！这就是传说中的“原子钟”。
世界上第一台铯原子钟
大家可能看到这个91亿多次的震荡周数头晕了，但你一定能体会到原子钟的精度有多么可怕。除了铯原子，还有氢原子、铷原子等各种不同的原子钟。到此为止，测量时间的误差已经到了几百、乃至几千万年才差一秒了。
但这还没完！我们今天真正的主角还没有出场呢，这就是“冷原子光钟”。1995年，科学家又利用激光冷却和囚禁原子的方法，制造出了“冷原子钟”。
为啥要把原子“囚禁”起来？
“因为虽然原子的电子跃迁频率很稳定，可是原子本身是在不停热运动的，这就使得对它的测量会产生误差。”梁新栋说。
所以，要想办法让它呆着别动！在通过一番高科技手段“囚禁”原子以后，如何测量它的电子跃迁频率呢？
“我们把一束激光打在原子上，使得这束激光的频率刚好等于原子的电子跃迁频率。这束激光就相当于光钟的’指针’，它必须有非常精确的频率。”
光钟，把时间测量的精度再次提升了。理论上，它走几亿、甚至几十亿年才会误差1秒。
这就是梦天实验舱上装备的利器。它是世界上第一套飞上太空的冷原子钟组，并且所有模块都是中国制造。
而这个“钟”的“指针”——窄线宽激光器，就来自浙江杭州，由国科大杭州高等研究院联合中国科学院国家授时中心历时3年打造。
把光钟塞进梦天实验舱
原来这么难
通过前面的科普，同学们也许能理解，一台光钟，其实不是一块能带在手上的电子表，或是能挂在墙上的钟，而是一套非常巨大的高科技设备。这叫做“时频系统”，里面的复杂设备能塞满一个教室。
别说整套光钟，就算是其中的一个“指针”，也能塞满一个实验机房。这就是记者在国科大杭高院的实验室里看到的场面，在实验室里，那个“窄线宽激光器”，有好几个机柜。
实验机房里的窄线宽激光器
能进梦天舱的窄线宽激光器整机
但是，光钟虽然精确，却也对环境特别敏感。电磁波、地球引力，乃至于隔壁一个身材魁梧的哥们走动几步产生的震动，都会影响到光钟的测量数据。
于是，把光钟放到太空里，就成了避免干扰的最好方式。
但是那么巨大的东西，如何送上太空呢？这正是科学家和工程师们要挑战的最大难题。例如，经过3年多的努力，科学家们把原本几百公斤的窄线宽激光器，“塞”进一个小小的金属箱子里。
“从前我们在实验室里打造的激光器，很多组件是国外进口的现成产品。当我们要把它压缩尺寸送入梦天实验舱，就必须要完全自己重新打造了。最后的成品，是纯中国制造。”太极实验室副主任、研究员贾建军告诉记者。
不仅如此，它还要能扛得住火箭升空时巨大的加速度、震动，以及太空里的低温等各种恶劣环境。
“所以，我们不仅掌握了核心技术，还做了很大的提升，用在了空间站上。”贾建军说，“在这个过程中，我们更是带出了一支强大的人才队伍。”
为什么测时需要这么精确？
看完原子钟和光钟的升级之路，同学们一定在想，为什么我们测量时间要精确到这个程度呢？
举个简单的例子，我国北斗卫星导航系统中，就有一个铷原子钟，它的每一次跳动，决定了北斗卫星定位、测速和授时功能的精度。
北斗的核心部件：铷原子钟
我们今天开车时候的导航误差还有几米，假如将来，空间站里的光钟给北斗卫星直接授时的话，那么我们导航的精度还能大幅度提升，也许精确到毫米，甚至更高。
“时间的精度，其实还决定了其他物理量的精确测量，比如长度。”贾建军说。
什么是一米？拿出一把米尺测量的“一米”实在是太粗糙了，误差大得惊人。
实际上，从1983年开始，一米的长度就被定义为“光在真空中于1/299792458秒内行进的距离。”
同学们看到了吗？长度等于时间乘以光速，因为爱因斯坦告诉我们，真空光速是恒定不变的。
所以时间测量得越精确，长度测量才会更精确。
中国空间站
中国科学院国家授时中心研究员、我国载人空间站高精度时频柜副主任设计师常宏说，“这次进入梦天实验舱的锶原子光钟，可以说是世界上发射到太空的测量精度最高的量子精密测量仪器。它由两个舱内科学实验柜和4台舱外设备组成一个完整的实验系统，搭载了由国家授时中心、上海技物所、国科大杭州高研院、国防科大共同研制，这在全球范围内也是首次。”
当光钟进入太空，它的用处可就大了，可以用来测量引力红移、时间膨胀效应，可以建立全球时间基准，测量引力波，搜寻暗物质！
未来，我们可以期待，中国的光钟，为全世界重新定义时间！