本文将简要介绍原子钟的发展和技术，并对国际上与之对应的国际空间站空间冷原子钟进行简单介绍，从侧面了解和感受空间冷原子钟实验。

时钟的简介

对时间的认识与对时间的计量是一个古老的学科，我们常常用到的形容整个世界的最大词语“宇宙”，古语释义为“四方上下曰宇,古往今来曰宙。”（《三苍》）。“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”（刘安《淮南子·齐俗》），包含了古人朴素的时空统一观念。基于天文时的天文历法一直是一个文明的重要标志，对于农耕文明而言，历法的精度会对社会生活产生重要影响，天文历法的特点就是看重长时间累计误差而忽视时间的细小精度，例如我国的古代也就把一天分为“十二个时辰”，再往下“一炷香功夫”，“一袋烟功夫”什么的，实在不太靠谱。

对时间的进一步细分是伴随工业文明的发展而发展起来的，一方面工业化大生产和工业社会的发展需要进一步提高社会的同步精度和节奏，另一方面科技的发展也使得精细计时成为可能，以机械钟表为标志，社会进入到“机械时”时代，不过机械时不是一个独立的体系，它还是以天文时作为基础的，对秒的定义是平均太阳日的1/86 400，这个定义一直持续到1960年。

在以电磁技术为标志的第二次工业革命出现以前，对时频计量精度要求最高的实际是航海，时钟领域跨时代的“哈里森钟”实际就是为了解决航海对钟表的高精度要求而诞生的。当年的英国所以能成为称霸世界的“日不落帝国”，得益于它的无敌的海上霸权，而这与它当年在计时领域领先世界密切相关。英国纪念其海上霸权荣光的“英国国家海事博物馆（National Maritime Museum）”就坐落在当年的伦敦格林威治天文台（包括海事陈列馆、皇家天文台、皇后之屋），其中和计时技术作为其最重要的部分在专门的展厅陈列。

——这从一个侧面反映了时钟有一个天生的宿命，就是定位，也就是说，它本来属性是要告诉用户“我在何时”的问题，但是不知从什么时候开始，它还需要告诉用户“我在何地”的问题。这个宿命一直持续到今天，只不过观察目标由天然星辰变成了人造卫星，定位原理由观察角定位变成了距离定位，六分仪等变成了GPS接收机，“哈里森钟”变成了原子钟。

图1 14世纪以来时钟精度的发展（本图来自参考文献1）

基于太阳日定义的天文时受限于地球自转所受到的扰动，精度在E-7 - E-8量级，图1给出了14世纪以来时钟精度的发展^[1]，在电磁技术发展起来，这个误差变得不可接受，而量子力学发展起来以后，让我们认识到原子分子间的能级跃迁具有恒定的频率特性，可以作为频率基准，这个观点是麦克斯韦和开尔文在1870年代提出的，但是真正让其从技术上成为可能是Rabi和他的学生们的工作，Rabi就是Rabi振荡那个Rabi，原子钟就是靠那个Rabi振荡实现的。之后原子钟取得了飞速的发展，其中Rabi的学生Ramsey在1950年提出了分离振荡场理论，该技术成为后来微波基准钟的标准技术，英国NPL的Essen和Parry在1955年研制了第一台可靠的铯原子束钟（如图2所示），到1960年代，原子钟及时精度已经全面超过天文-机械计时，在1967年原子钟的不确定性降到E-12，在CGPM的第13届会议上，给出了时间单位秒的新定义“一秒是¹³³Cs原子基态超精细能级跃迁周期的9 192 631 770倍。”在1950年代，原子钟许多相关技术也取得了重大突破，包括微波振荡器（maser）、离子阱、填充气体谱线压制技术（Dicke效应）等，由此诞生了主动钟、离子阱钟、泡式原子钟等。

图2 Essen和他的第一台铯束管原子钟(本图来自参考文献2)

1980年代以后激光冷却技术发展起来以后，很快被应用于原子钟，基于激光冷却原子实现了原子喷泉钟，基于激光冷却离子实现了冷离子钟，1990年代后，超窄线宽激光器和光频梳锁定技术有了革命性突破，光频标也发展起来，相关的研究热潮现在还在持续，光钟的相关工作是非常大的话题，我们将不涉及。空间冷原子钟是基于原子喷泉钟技术发展起来的，下面将进一步介绍。

原子钟与空间钟

讲到这里，我们必须简单介绍原子钟的原理，如图3所示，振荡器产生微波或者光信号，通过精密可调的乘法器（微波/光频链路）与原子介质作用，探测原子介质跃迁后的能态变化，锁定振荡器，振荡器输出标准频率信号。这是原子钟最基本的部分，称之为原子频标，加上频率计数和积分等计时器功能就构造成全部的原子钟。——好像说得有些专业，它的原理可以用图4形象地描述，假设图中的招财猫向上和向下是原子鉴频的两个能态，如果输入电磁波（微波或光子）与鉴频能级共振（图中红色电磁波），原子就发生跃迁，招财猫吸收电磁波，由向上态转化为向下态，反之，如果离共振（图中蓝色电磁波），则原子（招财猫）不与电磁波发生作用，根据原子的末态就可以判断电磁波频率的离共振情况，而原子对频率误差的鉴别能力取决于频率跃迁谱线的宽度Δν，一般而言，谱线越窄，原子钟的精度越高，我们甚至可以近似（不严谨)地认为原子钟的精度与Δν成反比，在微波频段，Δν反比于原子和微波的作用时间t，因此通过增加t压窄Δν成为原子钟性能指标提升的最重要途径。

图3原子钟的原理图

图4原子钟的形象原理图

高性能（准确度）原子钟还有一个重要因素，就是环境噪声的影响尽量小，因此可以成为时间频率基准的原子钟都是让原子在自由飞行时与微波场作用，它的最早的代表就是铯束管原子钟，图2中Essen研制的原子钟就是这样的结构，它让热原子束通过微波腔获得干涉条纹，这样的结构中用到了前面提到的分离振荡场，也称之为Ramsey作用，它的原理如图右图所示（左图是与之对照的Rabi振荡），就是让原子介质与微波场两次作用，在这样的工作模式下，微波干涉曲线的线宽Δν取决于两次微波作用间的原子自由飞行时间T，满足Δν=1/2T，从技术上更容易获得更窄线宽的谱线，并且更容易获得抑制环境噪声，提高原子钟精度。多数高精度原子钟都采用Rasmey作用的方案。

在原子喷泉钟出现以前，束型铯原子钟一直是精度最高，最主要的原子钟，并且即使到了现在，它在世界时（UTC）和国际原子时（TAI）报数系统，从时钟数目上，所占比重超过70%。束型原子钟的精度主要受限于热原子运动和热原子束的速度（100米/秒量级），装置一般是1米到数米，Δν一般在10-100Hz量级。原子喷泉方案就是为了压窄线宽而提出的，其基本想法就是让原子缓慢上抛，然后再落下来，与微波腔两次作用，这样作用时间可以提高约2个数量级，对应线宽也可以压窄约2个数量级。

图5 Rabi振荡（左图）和Ramsey作用（右图）的原理、线型和线宽

原子喷泉的方案提出得也非常早，是Rabi的另一个学生Zacharias在1953年提出的[3,4]，他的基本想法就是让原子束或者原子团竖直上抛，由于重力，原子将进行抛物运动，这样只要一个微波场就可以与原子作用两次，获得Ramsey干涉条纹。抛物运动对应原子路径的折叠，可以使装置体积减半，对于米量级高度的装置，可以获得赫兹到亚赫兹宽度的干涉条纹，该方案在原子钟性能方面还要其他一些优越性。现代的原子喷泉钟就是基于Zacharias的思想搭建的，图6是一个现代原子喷泉钟的结构示意图。Zacharias不但提了方案，而且进行了实践，他在MIT建造了5米高的真空管，铯原子束由底部喷出，希望得到原子喷泉。他解决了低速热原子的问题，却没有解决热原子扩散的问题，最终该实验以失败告终。该问题的解决依赖于20多年以后发展起来的激光冷却技术，当原子被冷却到微开尔文量级时，它的热运动平均速度在厘米量级甚至更低，此时热扩散对信号原子的损耗变得可以控制。

图6现代原子喷泉钟的结构示意图

1989年到1993年，Stanford的S. Chu小组首先用Na原子、其次用Cs原子在实验上演示了原子喷泉的可行性，获得了Ramsey干涉条纹。接下来法国巴黎天文台的A. Clairon小组做了一系列的工作，使原子喷泉由物理现象转化为真正的原子钟装置，他们在1991年完成了物理演示，在1994-1995年，第一次给出了稳定度和不确定度的指标，分别为3E-13τ^-1/2和3E-15，它们比最好的传统束型频标都高了一个量级[3]。从那时起，原子喷泉钟成为世界各大计量机构竞相研究的课题，到2002前后，包括了法国巴黎天文台、美国NIST、英国NPL、德国PTB等都得到了原子喷泉钟，当时的不确定度指标在1E-15左右[4]，接下来它们进行了技术升级和多台喷泉钟的研制，这个过程一直持续到现在，各计量机构都有1台以上的喷泉钟，不确定度指标均进入E-16量级，最好的在2E-16左右。喷泉钟在各国的守时和向TAI的报数中发挥了非常重要的作用。

国内，中国计量院（NIM）最早开展了实用喷泉钟的研究，在2002年获得了国内第一台铯喷泉原子频标NIM-4#钟，该项工作获得2003年国家科技进步一等奖，他们后来研制的NIM-5#在2014年8月加入到TAI报数系统[5]。上海光机所（SIOM）从1999年开始了铷喷泉钟物理实验的研究，从2003年开始⁸⁷Rb喷泉钟装置的研制，完成了研制的系列工作，实现了连续运行，装置和稳定度指标如图7所示[7-9]。国家授时中心也开展了喷泉钟的研制，目前实现了闭环锁定和几项主要误差的评估，国内还有其他单位也准备开始相关研究。

图7 SIOM的⁸⁷Rb喷泉钟和它的稳定度曲线

原子喷泉钟带来微波钟性能指标的显著提升，一个新的问题就会自然而然的产生——“我们有没有可能制造更高精度的微波原子钟？”大家都非常明确一点：喷泉钟依靠重力实现，它的作用时间也受限于重力加速度，由于H=gt²/2，延长作用时间将以增加高度的平方为代价，因此在地面获得更窄线宽的喷泉钟将非常困难，这个时候，我们很容易地将目光转向太空的微重力环境，没有了重力，我们可以让冷原子以非常缓慢的速度与微波作用，延长原子与微波作用的时间，获得更高精度的冷原子钟，更细致的分析表明，空间冷原子钟的不确定度有望达到1E-16甚至更低，表格1给出了3种原子钟相关参数的比较，对于空间钟而言，冷原子厘米量级的热扩散重新成为其进一步提高原子钟性能指标的约束条件。——所以从可行性的角度看，冷原子更适用于空间的微重力环境。

表格1几种原子钟参数的比较

从需求的角度看，空间科学项目也非常渴望高精度原子钟，我们知道所有关于爱因斯坦的研究都是高大上的东西，而爱因斯坦最大的贡献就是把原本独立的空间、时间和物质搅和起来，因此与之有关的高大上研究几乎都需要高精度原子钟，从应用的角度，目前全球卫星定位系统GNSS也是基于高精度原子钟，前面已经谈到，GNSS要告诉我们“现在何时，我在何地”的问题，我们首先就需要把导航卫星的这两个问题讲清楚，也就是用更高精度的原子钟为导航卫星进行定位和时钟同步。在参考文[6]中，曾经将了ISS空间冷原子钟的4个科学目标：

1.   “To set up the PHARAO clock on theInternational Space Station, and to study its performance in space.(在ISS建立PHARAO钟，研究它在空间的运作)

2.  Together with a hydrogen maser,to establish a time scale which can be compared with terrestrial clocks to anaccuracy of 10-16–which would be an enormous improvement over the present levelof synchronization that is possible using GPS (Global Positioning System)clocks. Thus an ultra-high performance global time synchronization systemshould be realized, which will make possible new navigation and positioningapplications. (与一台氢钟一起在空间建立可与地面钟媲美的10^-16 的时间尺度，这将大大提高GPS钟的同步精度，从而建立超高精度的全球时钟同步系统，并将其应用于更高精度的导航和定位)

3.  To perform tests of theGravitational Red Shift (with an improvement of more than a factor ten overpresent tests) and to search for a time-dependence of the fine structureconstant α to a relative precision level of 10-16 per year. This will beaccomplished by comparison between the ACES clocks and ground clocks of varioustypes such as rubidium fountains and optical clocks. (（以比过去的实验提高一个数量级以上的精度）验证引力红移，将精细结构常数随时间变化的探测精度提高到10^-16每年。这些实验需要ACES的原子钟与地面的各种钟，包括喷泉钟、光钟相配合)

4.  To search for an anisotropy ofspeed of light by analysing the propagation of microwaves in differentdirections when ACES clocks are compared with ground clocks.(当ACES的原子钟与地面钟比较时，通过分析不同方向微波的传递，检测光速的各项异性)”

上述几点给出空间钟有明确而重要的应用价值。至于平台，对于欧美科学家而言，ＩＳＳ为科学实验提供了现成的平台。在上述３个前提下，国际上很早就开展了空间冷原子的研制，主要还是巴黎天文台。我们２０１０年去那里参观的时候，Ｇ．Ｓａｎｔａｒｅｌｌｉ曾经问过我们：“你们了解的最早空间钟发射是哪年？”我们告诉他，我们读到的文献显示最早是２００３年[3]，他说他去那会儿，别人告诉他是１９９７年。现在是２０１６年，还没有发射，新的预期是２０１７年。

——好吧，上面我只想证明他们的研究非常早，至于这个拖延，下面来讨论，从另外一个故事说起：在２００４年的文献中，曾经有一个ＩＳＳ的三钟方案，具体地讲，就是在ＩＳＳ放３台冷原子钟，其中法国１台，美国２台，具体的参数如表格２所示，图例分别如图８、图９、图10所示。可以看出，ISS允许放3台差不多的载荷，一方面说明这个问题的重要性，另一方面说明这项工作各国争相展开，第3方面说明ISS的管理一些不靠谱，多国合作长于争吵，短于决断的特点可见一斑。事实上，如果对相关研究有所了解，我们就会发现，这3个方案，研究的成熟度，技术指标的可信度是不相同的，相对而言，法国的Pharao方案技术最成熟，论证最充分。果然，后来只剩下了，不过原因可能不是因为技术问题，只是因为ISS的经费被各国争相削减。——一直有这么个阴谋论，美国是为了偷俄国空间站和交会对接技术才搞ISS的，搞到后就对ISS没兴趣了，谁知道呢。

图8　ＩＳＳ的ＰＨＡＲＡＯ冷原子钟方案

图9　ＩＳＳ的ＰＡＲＣＳ方案

图10　ＩＳＳ的Ｒａｃｅ冷原子钟方案

表格2　参考文献中记录的ＩＳＳ的３钟方案中各原子钟的指标和参数

至于法国，的确是在1997年就有研究PHARAO的博士毕业(Pierre LEMONDE)[10]，他们在2000年前后研制了1台基于空间钟原型的可搬运喷泉原子钟FOM，这台原子钟做出了许多重要实验。不过PHARAO的方案也进行了多次修改，在2001年8月，他们进行了抛物飞机实验，验证了获得窄线宽谱线的可行性；到了2004年左右，欧空局介入进来，这项工作也由科学实验向空间工程转化，ESA-ESTEC的L. Cacciapuoti是这个课题的负责人，之后他们又基于空间环境做了大量的工作。因为空间冷原子钟是非常复杂的系统，即使对于ISS相对较好的环境，即使他们的经验更丰富，并且不会遇到关键器件禁运的问题，仍然有相当多的问题需要克服，图11和图12是其中几个关键部分的图片，可能与最终的方案有出入。在谈论PHARAO意义时，他们也把空间首次实现冷原子钟看作具有重要物理意义的事件。Cacciapuoti在某次报告的结尾用了图13的ppt，某人在搜寻美国的高精度冷原子钟，但是看到的还是一片黑暗，而欧洲的空间钟已经闪耀，但现在出现了新的情况，当美国和欧洲还一片黑暗的时候，我们的空间钟已经开始闪耀。

图11 PHARAO物理系统的实物图（本图来着Cacciapuoti的ppt报告）

图12 PHARAO物理系统的光学系统图（本图来着Cacciapuoti的ppt报告）

最后还要说明的一点是，在空间钟的研制方面我们虽然抢得了先机，但是这场竞赛也才刚刚开始，如果不出意外，PHARAO明年可以按时发射，围绕更高精度的冷原子钟，欧空局还有后续的QUEST等计划[11]，美国也有，我们也有，总之这一切才刚刚开始。

图13 Cacciapuoti的某张结尾ppt，这张图该改改了

参考文献

[1].       C. Audoin, B. Guinot, The measurement of time, time, frequency andthe atomic clock, Cambridge, (1993).

[2]. Essenand the National Physical Laboratory’s atomic clock, Metrologia 42 (2005) S4–S9

[3].Cold-Atom Clock on Earth and in Space, Frequency Measurement andControl, editor by A. N. Luiten, Springer-Verlag: Berlin Heidelberg (2001) 131.

[4].Atomic fountain clocks, Metrologia 42 (2005) S64–S79

[5].中国对确定国际标准时间有了表决权中国计量院铯原子喷泉钟获准参与驾驭国际原子时。http://www.nim.ac.cn/list/sc/4502

[6].Experiments in Fundamental PhysicsScheduled and in Development for the ISS, GeneralRelativity and Gravitation, Vol. 36, No. 3, March 2004.

[7]. 小型喷泉铷原子钟的设计与前期工作，中国科学院研究生院2003年

[8].“Progressin rubidium fountain clock research at SIOM”, Proc. joint IEEEInternational Frequency Control Symposium and European Frequency and TimeForum, San Francisco (CA), USA, May 2011.559-563  

[9].Advances in the atomic fountain clock at SIOM, Frequency ControlSymposium & the European Frequency and Time Forum (FCS), 2015 JointConference of the IEEE International, 495-497

[10].            P. LEMONDE, PHARAO: éTUDE D'UNEHORLOGE SPATIALE UTILISANT DES ATOMES REFROIDIS PAR LASER; RéALISATION D'UN PROTOTYPE,Ph.D.thesis, BNM (1997).

[11].        STE-QUEST, A class M missionproposal for Cosmic Vision 2015-2025