衛星定位對時間的要求極高，即使是微秒級別的誤差，都很有可能最終導致定位誤差好幾百米。如果是差了一秒鐘的話，偏差是不可想像的。為什麼會這樣呢？衛星以7.9km/s的速度，在地球引力作用下繞地心做勻速圓周運動。真的所謂差之毫厘，謬之千裡。如果衛星定位不準確，那還要來幹嘛呢？那問題就來了，衛星是如何做到時間的絕對精確的呢？據說我國的北鬥衛星系統做到300萬年只差一秒鐘，你沒有聽錯是300萬年只差一秒鐘。你是不是唬我？300萬年只差一秒鐘，人類現階段是怎麼做到對這些時間做計算的呢？或者做對比的呢？這些時間差又跟誰作為標準呢？沒有參照物又如何說有差異呢？今天我們就來聊聊北鬥衛星的銣原子300萬年只差一秒鐘，它是如何做到的？
要知道有誤差，那得先有參照物。在我小的時候，家裡有一個掛鍾；因為掛鍾經常有時間的偏差，一頭半個月就要重新調整一次。我們如何知道有偏差的呢？因為過去都看新聞聯播，每到晚上7點新聞聯播就會準時播放；這個時候就是我們調掛鍾時間的最好時段，因為電視上會有相關的時間顯示。但今天我們調整時間的參照物就簡單得多了，比如我們手機上有顯示時間，我們電腦上有顯示時間，這些時間都是跟你的運營商為準的。那問題又來了，運營商或中央電視臺的時間就一定準確嗎？網絡的時間又如何保證它是準確的呢？北鬥衛星上的銣原子鐘300萬年只差一秒，它又是用什麼來做參照物的呢？在古時候我們是依靠太陽所曬下來的陰影，來作為時間的參考；有一種工具叫做日晷，它就是利用太陽照射的影子方向來確定當時的時間，這個工具在當時對時間要求不高，是能滿足當時社會的需求的，但到了今天這個玩意，就完全達不到咱們的要求。自從人類第1條鐵路誕生以來，人們就開始對時間有了準確的需求，是為了保證乘客能夠準時達到火車站，並乘上通往下一站的火車。而這個鐘就是我們熟知的英國大本鐘，正因為大本鐘的出現，我們對時間有了比較準確地掌握。
時間是什麼？
時間是記錄事物變化過程的單位，比如地球自轉一圈，我們稱為一天；從月圓到月缺再從月缺到月圓，我們稱之為一個月；地球圍繞太陽轉一圈，所用的時間是365天，我們稱之為一年。所有的時間都是周期的循環，一日復一日，一夜復一夜，一年復一年。但隨著人類科學的進步，人們對時間的要求越來越精確；隨著對太空和微觀世界的探索，過去時間的精確度，已經無法滿足現在的需求。直到1967年，第十三屆國際度量衡大會對秒有了新的定義，銫13原子振蕩9192631770次為1秒鐘，為什麼？只是科學家們為了將秒劃分成更小的單位而已，而經科學家測試，銫13原子振蕩9192631770次（赫茲）的時間剛好是1秒鐘。我們來看一個例子，石英表裡面有個石英晶振，每秒震動32,768次，為什麼震動32,768次呢？因為石英表採用了16位的計數器2的15次方，剛好等於32,768；而普通機械錶每秒鐘只振動5次，這就可以很明顯的看出兩者的差距了，機械錶出現時間偏差遠遠高於石英表，事實上也是這樣。不過現在帶手錶已經不是為了時間，更不在乎時間的準不準。
銫13原子振蕩的次數是石英表英晶振次數的28萬倍，想必大家知道銫13原子鐘有多精確了吧。原子鐘有很多種，不僅有銫原子，還有氫原子銣原子等，美國的星上所用的是銫原子鐘，而我國用的是自己研發的銣原子鐘，銣原子鐘相對於其他原子鐘來說，銣原子鐘的體積更小，重量更輕，功耗更低，壽命更長，且製造成本也更低。
我國發明銣原子鐘是一段讓人驕傲的過程
大家都知道，西方國家一直都在打壓我國的科技發展，無論是民用的（比如，華為、中興、抖音、微信等）還是軍用的。我國發展航天科技更是受到阻攔，幾乎沒有得到西方國家的技術，只能靠自己，所以我們的航天科技都是完全自主的。而這一次在北鬥衛星的建造的過程中，我們就面臨一個大問題，就是時間如何保證準確，但我國沒有相關的技術，打算向發達國家購買，可是西方國家不但不想賣給我們，還想借一個機會打壓我國的項目。根據國際電聯的規定，衛星的頻率資源是誰先申請誰先用，如果你在規定的時間內沒有用，那這個頻率就將釋放給別人申請，而當年我國申請北鬥2號使用的頻率，所剩的時間不到一年，沒原子鐘我們的項目就只能延期了，所申請的頻率不得不讓給歐洲伽利略系統，因為兩者的進度非常近。好的頻段是有限的，我們不得不加抓緊時間搞出原子鐘，無論是買還是自己造。買短期是不可能的，只好自己造。經過大半年每日每夜的研發，最終2007年第1顆搭載國產北鬥導航衛星發射成功了，距離國際電聯規定的時間只差了幾個小時，可以說是驚心動魄。
為什麼西方國家就認為我國做不出來呢？
原子中的技術難點到底在哪呢？而這一切難在精度上，將1秒鐘分9192631770次振蕩，想一想都怕，要我們在1秒內數20次都變得不可能，可況9192631770次，精度越高難度就難，相應的技術難度可以說是指數級的增長。光刻機難在哪裡，也是在精度上。銣原子鐘和光刻機我國也有公司能做，但是精度根本不是一個級別，而他們所要用的也不需要如此高精密，民用與航天用的完全不是一個級別。其實通信用的信號基站也要用到銣原子鐘，有時候我們手機通話，偶而出來一個莫名其妙的外來聲音，這種電話串話的情況，實際上這很可能是原子鐘頻率漂移導致的原因。
原子鐘到底是怎麼做出來的？
我們是怎麼知道銫13原子1秒振蕩9192631770次（赫茲）的，這就不得不說共振頻率的概念了，當兩個或兩個以上的振蕩頻率一致時就發生了共振，共振會產生極大的能量，有極強的衝擊力。就在今年咱們有一條大橋因為海風與車流的頻率產生了共振，導致大橋出裂痕，被迫封橋檢測。其實原子鐘也是利用共振的方法，在量子世界中不同能級原子之間躍遷（小圏轉到大圈的過程）的過程中，會吸收能量和釋放能量產生電磁波。科學家們就利用這個電磁波，在銣原子鐘設備裡，加上微波發射器和微波接收器，微波發射器發射出一個頻率，就等於發出一個振蕩，當原子吸收振蕩能量時，就會從低能級躍遷到高能級，當原子繞了一圈後，就會躍遷到低能級釋放能量，如果發射器的頻率跟原子的躍遷頻率一樣，就會產生最強的信號，這個時候原子鐘微波接收器就接到振蕩頻率，我們就可以知道原子的振蕩頻率，而它振蕩了多少次就可以知道了。
在這個過程中還有很多的問題，穩定性，還有不同的環境差距題，比如測試是地球的，運作的環環境是在天上的，衛星高速飛行會不會有影響重力的變化，會不會有影響等等各種因素都可以考慮到。作為我國能擺脫西方的技術封鎖，自主研發出每300萬年只差一秒的銣原子鐘，是非常值得驕傲的事情。為科學家們點讚。
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