NASA將於今晚發射深空原子鐘:這個原子鐘有什麼了不起?
2020-12-03 前瞻網NASA將於今晚發射深空原子鐘：這個原子鐘有什麼了不起？
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插圖顯示的是美國宇航局的深空原子鐘，它將測試用於深空導航的新技術。(圖片：©NASA)
美國宇航局將於今天(6月24日)使用獵鷹重型運載火箭將一個令人難以置信的新原子鐘送入軌道，這是一項可能會改變人類探索太空方式的技術演示任務。
該深空原子鐘由美國宇航局噴氣推進實驗室開發，是對我們在地球上使用的原子鐘以及已經在GPS衛星上使用的原子鐘的太空升級版本。
美國宇航局在一份聲明中說，在理想情況下，這種新型原子鐘將使宇宙飛船能夠更自主地導航到深空中的遙遠天體，比如火星。科學家們希望能夠利用深空原子鐘來精確測量宇宙飛船的位置，這樣的話，在深空中飛行的宇宙飛船就能夠在不與地球進行太多通信的情況下自主行動。NASA表示，這將大大改善目前太空飛行器的導航方式。
但它的原理是什麼呢?
天文學家早已經使用時鐘在太空中導航。他們向宇宙飛船發送信號，宇宙飛船再把信號傳回地球，信號往返的時間就可以告訴科學家們宇宙飛船和地球之間的距離。這是因為信號是以光速傳播的，所以加上往返太空飛行器的時間，太空飛行器和地球之間的距離只需要做一個簡單的計算就可以得出。在一個時間段內發送多個信號，科學家還可以計算出宇宙飛船的軌跡——包括它曾經所在的位置和它即將要去的地方。
但據美國宇航局稱，為了儘可能精確地得到太空飛行器的位置，天文學家需要非常精確的時鐘，精度要求達到可以測量十億分之一秒。他們還需要這個時鐘保持穩定，這裡的「穩定性」指的是時鐘測量時間單位的一致性，你可能會認為，時鐘對「秒」的測量時間長度總是一樣的，但時鐘其實有移位的趨勢，它會慢慢地把越來越長的時間長度標記為「秒」。為了測量宇宙飛船在深空中的位置，天文學家們需要他們的原子鐘在數天或數周的時間內都儘可能精確地保持一致，測量時間長度誤差不能超過十億分之一秒。
從我們手腕上佩戴的時鐘到衛星上使用的時鐘，現代時鐘大多使用石英晶體振蕩器來計時。美國宇航局在聲明中說，這些裝置利用的都是石英晶體在電壓作用下的振動精確頻率(這些振動就像落地鐘上的鐘擺)。
但在太空導航的標準下，石英晶體時鐘根本就不夠穩定。在運行六周後，它們的誤差可能會達到整整一毫秒，在光速下一毫秒的時間就相差185英裡(300公裡)。NASA表示，這麼大的誤差對測量快速移動太空飛行器的位置會產生巨大影響。
而原子鐘則將石英晶體振蕩器與某些類型的原子結合了起來，創造出了更好的穩定性。美國宇航局的深空原子鐘將使用汞原子，運行4天後誤差小於1納秒，10年後誤差小於1微秒，據美國國家航空航天局稱，要經過1000萬年的時間，原子鐘才會出現一秒鐘的誤差。
原子鐘利用的是原子的結構，原子的原子核由質子和中子組成，外層被電子包圍。每個元素的原子都有不同的結構，原子核中質子的數量也不同。雖然每種原子所擁有的電子數量可能不同，但電子佔據著不同的能級，而適量的能量震動可以使電子在原子核周圍躍遷到更高的能級。
使一個電子發生躍遷所需的能量對每個元素來說都是唯一的，並且與該元素的所有原子一致。噴氣推進實驗室的原子鐘物理學家埃裡·克伯特(Eric Burt)在聲明中說：「這些軌道之間的能量差是一個非常精確和穩定的值，而這正是製作原子鐘的關鍵因素，這就是原子鐘的性能水平能夠超過機械鐘的原因。」
從本質上說，原子鐘可以進行自我校正，在原子鐘中，石英振蕩器的頻率被轉換成應用於特定元素原子集合的頻率。如果頻率是正確的話，它將會導致原子中的許多電子躍遷能級。但如果頻率不正確的話，發生躍遷的電子數量會減少。這就告訴了時鐘，石英振蕩器已經產生了誤差，以及需要作出多少校正。在深空原子鐘上，這種校正每隔幾秒就會計算一次，並應用到石英振蕩器上。
但這並不是深空原子鐘的特別之處，這個時鐘不僅使用汞原子，它還使用帶電的汞離子。
因為離子是帶電荷的原子，所以它們可以被包含在電磁「陷阱」當中，這使得原子無法與真空室的壁面相互作用(這是普通原子鐘中中性原子的一個常見問題，當它們與真空壁相互作用時，諸如溫度之類的環境變化會引起原子本身的變化，導致出現頻率誤差)。
據美國宇航局稱，深空原子鐘不會受到這種環境變化的影響，因此將比GPS衛星上使用的原子鐘穩定50倍。在周一發射升空之後，科學家們將能夠開始測試時鐘的精度。
該深空原子鐘將搭載位於佛羅裡達州甘迺迪航天中心的SpaceX獵鷹重型火箭升空，與之一同發射的還有另外23個有效載荷。持續4小時的發射窗口將在美國東部時間晚上11：30(格林尼治時間6月25日0330)開始。
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