就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
"就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
NASA原子鐘的藝術插畫，原子鐘“深空”被用來測試外太空導航的新技術 | Credit: NASA
這款最新的原子鐘名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下屬機構噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是針對現有原子鐘的改造升級版。
這次的升級不是擠牙膏，而是一次大換代。有了深空的加持，航空器在長途跋涉時會更加獨立，減少對地球基站的信息依賴，從而更方便的去到宇宙的深處。
原子鐘的作用
原子鐘可以極其精準的度量時間，在航空通信方面有廣泛的應用，例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
"就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
NASA原子鐘的藝術插畫，原子鐘“深空”被用來測試外太空導航的新技術 | Credit: NASA
這款最新的原子鐘名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下屬機構噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是針對現有原子鐘的改造升級版。
這次的升級不是擠牙膏，而是一次大換代。有了深空的加持，航空器在長途跋涉時會更加獨立，減少對地球基站的信息依賴，從而更方便的去到宇宙的深處。
原子鐘的作用
原子鐘可以極其精準的度量時間，在航空通信方面有廣泛的應用，例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
技術人員正在將深空安裝到測試衛星上 | Credit: General Atomics
利用原子鐘的道理其實很簡單：光速*時間差=距離，原子鐘就是計量時間差的工具。具體來說，衛星發送光電信號到地球，地球接收後再反射給衛星，這樣一來一回，就產生了時間差，通過測量信號發出和接收的時間差，我們就可以計算出衛星與地球的距離。
利用這一原理，如果我們每隔一段時間就發射和測量一次，那麼衛星的軌跡也就確定了。原始的描點連線方法，讓我們不僅知道了它在哪，還知道了它要去哪。
這下你會說，道理我都懂，但原子鐘和普通的鐘表到底有什麼區別？
石英鐘錶
現代鐘錶裡經常使用的是一種叫石英晶體振盪器的裝置。雖然聽起來很複雜，但它不過是利用了石英晶體的一個特殊性質——加上電壓後會以每秒 32768 次的頻率振動。自帶這一性質，這貨簡直就像是為做鐘錶而生的！於是你幻想著，將它裝進表裡，調整好電壓，轉換好振動頻率，接上動力裝置，連接指針，一個手錶就做好了！
"就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
NASA原子鐘的藝術插畫，原子鐘“深空”被用來測試外太空導航的新技術 | Credit: NASA
這款最新的原子鐘名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下屬機構噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是針對現有原子鐘的改造升級版。
這次的升級不是擠牙膏，而是一次大換代。有了深空的加持，航空器在長途跋涉時會更加獨立，減少對地球基站的信息依賴，從而更方便的去到宇宙的深處。
原子鐘的作用
原子鐘可以極其精準的度量時間，在航空通信方面有廣泛的應用，例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
技術人員正在將深空安裝到測試衛星上 | Credit: General Atomics
利用原子鐘的道理其實很簡單：光速*時間差=距離，原子鐘就是計量時間差的工具。具體來說，衛星發送光電信號到地球，地球接收後再反射給衛星，這樣一來一回，就產生了時間差，通過測量信號發出和接收的時間差，我們就可以計算出衛星與地球的距離。
利用這一原理，如果我們每隔一段時間就發射和測量一次，那麼衛星的軌跡也就確定了。原始的描點連線方法，讓我們不僅知道了它在哪，還知道了它要去哪。
這下你會說，道理我都懂，但原子鐘和普通的鐘表到底有什麼區別？
石英鐘錶
現代鐘錶裡經常使用的是一種叫石英晶體振盪器的裝置。雖然聽起來很複雜，但它不過是利用了石英晶體的一個特殊性質——加上電壓後會以每秒 32768 次的頻率振動。自帶這一性質，這貨簡直就像是為做鐘錶而生的！於是你幻想著，將它裝進表裡，調整好電壓，轉換好振動頻率，接上動力裝置，連接指針，一個手錶就做好了！
石英晶體振盪器 | Credit: 百度
既然這樣，我們為何還需要原子鐘呢？原來，石英晶體雖然用起來方便，但做成的鐘表精確度還達不到太空標準。要知道，為了保持衛星定位 1m 以內的誤差，對應的時間測量精度要達到納秒級別，也就是精確到十億分之一秒。
石英晶體還有另一個問題，穩定性。太空導航對計時工具的穩定性要求極高，即使最好的石英晶體表也會累積 1 納秒/小時的誤差，時間越長，誤差越大。6周以後，誤差可以累積到1毫秒（千分之一秒），這時對應算出的衛星位置，就有約300km的誤差。
原子鐘
為了追求更高的精確度和穩定性，我們利用了另一個天然穩定的頻率——電子躍遷頻率。
作為原子的重要組成部分，核外電子圍繞原子核運動，攜帶不同能量的電子，運動的軌道也不同。
就像汽車一樣，高速的賽車需要專門的場地來發揮，而低速的車輛就可以在普通場地上自如地繞行，我們把車的跑道叫做能級。每種元素對應的能級也是固定的，如果我們把元素比作國家，每個國家都有固定的這麼一些跑道，以供不同車速的車來使用。
"就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
NASA原子鐘的藝術插畫，原子鐘“深空”被用來測試外太空導航的新技術 | Credit: NASA
這款最新的原子鐘名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下屬機構噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是針對現有原子鐘的改造升級版。
這次的升級不是擠牙膏，而是一次大換代。有了深空的加持，航空器在長途跋涉時會更加獨立，減少對地球基站的信息依賴，從而更方便的去到宇宙的深處。
原子鐘的作用
原子鐘可以極其精準的度量時間，在航空通信方面有廣泛的應用，例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
技術人員正在將深空安裝到測試衛星上 | Credit: General Atomics
利用原子鐘的道理其實很簡單：光速*時間差=距離，原子鐘就是計量時間差的工具。具體來說，衛星發送光電信號到地球，地球接收後再反射給衛星，這樣一來一回，就產生了時間差，通過測量信號發出和接收的時間差，我們就可以計算出衛星與地球的距離。
利用這一原理，如果我們每隔一段時間就發射和測量一次，那麼衛星的軌跡也就確定了。原始的描點連線方法，讓我們不僅知道了它在哪，還知道了它要去哪。
這下你會說，道理我都懂，但原子鐘和普通的鐘表到底有什麼區別？
石英鐘錶
現代鐘錶裡經常使用的是一種叫石英晶體振盪器的裝置。雖然聽起來很複雜，但它不過是利用了石英晶體的一個特殊性質——加上電壓後會以每秒 32768 次的頻率振動。自帶這一性質，這貨簡直就像是為做鐘錶而生的！於是你幻想著，將它裝進表裡，調整好電壓，轉換好振動頻率，接上動力裝置，連接指針，一個手錶就做好了！
石英晶體振盪器 | Credit: 百度
既然這樣，我們為何還需要原子鐘呢？原來，石英晶體雖然用起來方便，但做成的鐘表精確度還達不到太空標準。要知道，為了保持衛星定位 1m 以內的誤差，對應的時間測量精度要達到納秒級別，也就是精確到十億分之一秒。
石英晶體還有另一個問題，穩定性。太空導航對計時工具的穩定性要求極高，即使最好的石英晶體表也會累積 1 納秒/小時的誤差，時間越長，誤差越大。6周以後，誤差可以累積到1毫秒（千分之一秒），這時對應算出的衛星位置，就有約300km的誤差。
原子鐘
為了追求更高的精確度和穩定性，我們利用了另一個天然穩定的頻率——電子躍遷頻率。
作為原子的重要組成部分，核外電子圍繞原子核運動，攜帶不同能量的電子，運動的軌道也不同。
就像汽車一樣，高速的賽車需要專門的場地來發揮，而低速的車輛就可以在普通場地上自如地繞行，我們把車的跑道叫做能級。每種元素對應的能級也是固定的，如果我們把元素比作國家，每個國家都有固定的這麼一些跑道，以供不同車速的車來使用。
電子躍遷示意圖
開頭提到的電子躍遷頻率，對應就是一輛車要加速多少才能去到下一級跑道。對同一種元素來說，電子躍遷頻率的值不會改變，是宇宙範圍內的固定值。
話說回來，時間單位秒（second）本身就是根據銫原子某兩個能級間的躍遷頻率來定義的。原子鐘用電子躍遷頻率來計時，正是一種巧妙的，迴歸本源的想法。
在原子鐘深空裡，使用的是汞原子，它發生1納秒誤差所需要的時間超過 4 天，1 毫秒誤差要經過 10 年以上，要達到1秒誤差就是 1000 萬年之後的事了。
更重要的是，原子鐘可以自動調整誤差。
通過把汞原子結合到振動器裡，我們完成了一種監控方法：如果振動器頻率正確，汞原子會發生大量躍遷，否則就不會。於是汞原子成了原子鐘的晴雨表，系統通過躍遷情況就可以判斷誤差，自動調整振動器，深空號的自我調節週期僅為幾秒鐘。
除了這些原子鐘的常規操作之外，深空真正的特別之處在於對汞離子的使用。我們把帶電的汞離子裝在空腔裡，由於自身的電荷，它們會被電磁場捕獲，從而不再亂跑，避免了它們與空腔壁的作用。在傳統原子鐘裡，我們使用的是不帶電的原子，它們四處亂竄，就很容易受到空腔壁的干擾。
"就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
NASA原子鐘的藝術插畫，原子鐘“深空”被用來測試外太空導航的新技術 | Credit: NASA
這款最新的原子鐘名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下屬機構噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是針對現有原子鐘的改造升級版。
這次的升級不是擠牙膏，而是一次大換代。有了深空的加持，航空器在長途跋涉時會更加獨立，減少對地球基站的信息依賴，從而更方便的去到宇宙的深處。
原子鐘的作用
原子鐘可以極其精準的度量時間，在航空通信方面有廣泛的應用，例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
技術人員正在將深空安裝到測試衛星上 | Credit: General Atomics
利用原子鐘的道理其實很簡單：光速*時間差=距離，原子鐘就是計量時間差的工具。具體來說，衛星發送光電信號到地球，地球接收後再反射給衛星，這樣一來一回，就產生了時間差，通過測量信號發出和接收的時間差，我們就可以計算出衛星與地球的距離。
利用這一原理，如果我們每隔一段時間就發射和測量一次，那麼衛星的軌跡也就確定了。原始的描點連線方法，讓我們不僅知道了它在哪，還知道了它要去哪。
這下你會說，道理我都懂，但原子鐘和普通的鐘表到底有什麼區別？
石英鐘錶
現代鐘錶裡經常使用的是一種叫石英晶體振盪器的裝置。雖然聽起來很複雜，但它不過是利用了石英晶體的一個特殊性質——加上電壓後會以每秒 32768 次的頻率振動。自帶這一性質，這貨簡直就像是為做鐘錶而生的！於是你幻想著，將它裝進表裡，調整好電壓，轉換好振動頻率，接上動力裝置，連接指針，一個手錶就做好了！
石英晶體振盪器 | Credit: 百度
既然這樣，我們為何還需要原子鐘呢？原來，石英晶體雖然用起來方便，但做成的鐘表精確度還達不到太空標準。要知道，為了保持衛星定位 1m 以內的誤差，對應的時間測量精度要達到納秒級別，也就是精確到十億分之一秒。
石英晶體還有另一個問題，穩定性。太空導航對計時工具的穩定性要求極高，即使最好的石英晶體表也會累積 1 納秒/小時的誤差，時間越長，誤差越大。6周以後，誤差可以累積到1毫秒（千分之一秒），這時對應算出的衛星位置，就有約300km的誤差。
原子鐘
為了追求更高的精確度和穩定性，我們利用了另一個天然穩定的頻率——電子躍遷頻率。
作為原子的重要組成部分，核外電子圍繞原子核運動，攜帶不同能量的電子，運動的軌道也不同。
就像汽車一樣，高速的賽車需要專門的場地來發揮，而低速的車輛就可以在普通場地上自如地繞行，我們把車的跑道叫做能級。每種元素對應的能級也是固定的，如果我們把元素比作國家，每個國家都有固定的這麼一些跑道，以供不同車速的車來使用。
電子躍遷示意圖
開頭提到的電子躍遷頻率，對應就是一輛車要加速多少才能去到下一級跑道。對同一種元素來說，電子躍遷頻率的值不會改變，是宇宙範圍內的固定值。
話說回來，時間單位秒（second）本身就是根據銫原子某兩個能級間的躍遷頻率來定義的。原子鐘用電子躍遷頻率來計時，正是一種巧妙的，迴歸本源的想法。
在原子鐘深空裡，使用的是汞原子，它發生1納秒誤差所需要的時間超過 4 天，1 毫秒誤差要經過 10 年以上，要達到1秒誤差就是 1000 萬年之後的事了。
更重要的是，原子鐘可以自動調整誤差。
通過把汞原子結合到振動器裡，我們完成了一種監控方法：如果振動器頻率正確，汞原子會發生大量躍遷，否則就不會。於是汞原子成了原子鐘的晴雨表，系統通過躍遷情況就可以判斷誤差，自動調整振動器，深空號的自我調節週期僅為幾秒鐘。
除了這些原子鐘的常規操作之外，深空真正的特別之處在於對汞離子的使用。我們把帶電的汞離子裝在空腔裡，由於自身的電荷，它們會被電磁場捕獲，從而不再亂跑，避免了它們與空腔壁的作用。在傳統原子鐘裡，我們使用的是不帶電的原子，它們四處亂竄，就很容易受到空腔壁的干擾。
NASA 為了慶祝原子鐘深空的誕生而發佈的海報，一個麵包機大小的裝置就可以顛覆航空器長途導航和探索的方式。 | Credit: NASA/JPL-Caltech
有了新技術的加持，深空的穩定性更上一層樓，比 GPS 衛星上搭載的原子鐘提高了 50 倍。這樣一來，說它是太空中最準的鐘錶也不為過了。
深空的展望
對於普通的衛星來說，它們搭載的原子鐘仍然離不開地球上大型原子鐘的校準。冰箱一般大小的地面原子鐘肩負著給太空兄弟校準的重任，它不能在太空環境裡使用，但本身非常的穩定，每天會給其他原子鐘提供兩次校準服務。
現在，有了深空的幫助，我們的飛行器不再需要高頻率的校準了，它們可以自給自足來測量當前的準確方位，給自己導航。同時也可以飛得更遠，而不用擔心長距離通信帶來的種種問題。深空的出現，無疑讓天文學家手裡的風箏線變得更長了一些。
"就在不久前（2019年6月24日），美國國家航空航天局 NASA 發射了一個新型的原子鐘。搭載它的是我們熟悉的——埃隆馬斯克——旗下公司 SpaceX 研製的重型獵鷹號（Falcon Heavy，簡稱FH）。這次發射被稱為 STP-2 任務，是太空測試項目（Space Test Program）的一部分。
原定於 22 日的發射因故推遲了兩天，只為確保這次任務順利完成。實際上，新型原子鐘的發射和測試可能會給我們的太空探索之旅帶來全新的變革。
NASA原子鐘的藝術插畫，原子鐘“深空”被用來測試外太空導航的新技術 | Credit: NASA
這款最新的原子鐘名叫深空（Deep Space），由 NASA 的下屬機構噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）所打造，是針對現有原子鐘的改造升級版。
這次的升級不是擠牙膏，而是一次大換代。有了深空的加持，航空器在長途跋涉時會更加獨立，減少對地球基站的信息依賴，從而更方便的去到宇宙的深處。
原子鐘的作用
原子鐘可以極其精準的度量時間，在航空通信方面有廣泛的應用，例如日常給我們提供 GPS 信號的衛星上就搭載了原子鐘。
技術人員正在將深空安裝到測試衛星上 | Credit: General Atomics
利用原子鐘的道理其實很簡單：光速*時間差=距離，原子鐘就是計量時間差的工具。具體來說，衛星發送光電信號到地球，地球接收後再反射給衛星，這樣一來一回，就產生了時間差，通過測量信號發出和接收的時間差，我們就可以計算出衛星與地球的距離。
利用這一原理，如果我們每隔一段時間就發射和測量一次，那麼衛星的軌跡也就確定了。原始的描點連線方法，讓我們不僅知道了它在哪，還知道了它要去哪。
這下你會說，道理我都懂，但原子鐘和普通的鐘表到底有什麼區別？
石英鐘錶
現代鐘錶裡經常使用的是一種叫石英晶體振盪器的裝置。雖然聽起來很複雜，但它不過是利用了石英晶體的一個特殊性質——加上電壓後會以每秒 32768 次的頻率振動。自帶這一性質，這貨簡直就像是為做鐘錶而生的！於是你幻想著，將它裝進表裡，調整好電壓，轉換好振動頻率，接上動力裝置，連接指針，一個手錶就做好了！
石英晶體振盪器 | Credit: 百度
既然這樣，我們為何還需要原子鐘呢？原來，石英晶體雖然用起來方便，但做成的鐘表精確度還達不到太空標準。要知道，為了保持衛星定位 1m 以內的誤差，對應的時間測量精度要達到納秒級別，也就是精確到十億分之一秒。
石英晶體還有另一個問題，穩定性。太空導航對計時工具的穩定性要求極高，即使最好的石英晶體表也會累積 1 納秒/小時的誤差，時間越長，誤差越大。6周以後，誤差可以累積到1毫秒（千分之一秒），這時對應算出的衛星位置，就有約300km的誤差。
原子鐘
為了追求更高的精確度和穩定性，我們利用了另一個天然穩定的頻率——電子躍遷頻率。
作為原子的重要組成部分，核外電子圍繞原子核運動，攜帶不同能量的電子，運動的軌道也不同。
就像汽車一樣，高速的賽車需要專門的場地來發揮，而低速的車輛就可以在普通場地上自如地繞行，我們把車的跑道叫做能級。每種元素對應的能級也是固定的，如果我們把元素比作國家，每個國家都有固定的這麼一些跑道，以供不同車速的車來使用。
電子躍遷示意圖
開頭提到的電子躍遷頻率，對應就是一輛車要加速多少才能去到下一級跑道。對同一種元素來說，電子躍遷頻率的值不會改變，是宇宙範圍內的固定值。
話說回來，時間單位秒（second）本身就是根據銫原子某兩個能級間的躍遷頻率來定義的。原子鐘用電子躍遷頻率來計時，正是一種巧妙的，迴歸本源的想法。
在原子鐘深空裡，使用的是汞原子，它發生1納秒誤差所需要的時間超過 4 天，1 毫秒誤差要經過 10 年以上，要達到1秒誤差就是 1000 萬年之後的事了。
更重要的是，原子鐘可以自動調整誤差。
通過把汞原子結合到振動器裡，我們完成了一種監控方法：如果振動器頻率正確，汞原子會發生大量躍遷，否則就不會。於是汞原子成了原子鐘的晴雨表，系統通過躍遷情況就可以判斷誤差，自動調整振動器，深空號的自我調節週期僅為幾秒鐘。
除了這些原子鐘的常規操作之外，深空真正的特別之處在於對汞離子的使用。我們把帶電的汞離子裝在空腔裡，由於自身的電荷，它們會被電磁場捕獲，從而不再亂跑，避免了它們與空腔壁的作用。在傳統原子鐘裡，我們使用的是不帶電的原子，它們四處亂竄，就很容易受到空腔壁的干擾。
NASA 為了慶祝原子鐘深空的誕生而發佈的海報，一個麵包機大小的裝置就可以顛覆航空器長途導航和探索的方式。 | Credit: NASA/JPL-Caltech
有了新技術的加持，深空的穩定性更上一層樓，比 GPS 衛星上搭載的原子鐘提高了 50 倍。這樣一來，說它是太空中最準的鐘錶也不為過了。
深空的展望
對於普通的衛星來說，它們搭載的原子鐘仍然離不開地球上大型原子鐘的校準。冰箱一般大小的地面原子鐘肩負著給太空兄弟校準的重任，它不能在太空環境裡使用，但本身非常的穩定，每天會給其他原子鐘提供兩次校準服務。
現在，有了深空的幫助，我們的飛行器不再需要高頻率的校準了，它們可以自給自足來測量當前的準確方位，給自己導航。同時也可以飛得更遠，而不用擔心長距離通信帶來的種種問題。深空的出現，無疑讓天文學家手裡的風箏線變得更長了一些。
來源：牛油果進化論
編輯：Tim
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