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在航天器進(jìn)入太空后，每天有一項(xiàng)雷打不動(dòng)的工作需要執(zhí)行，那就是不間斷地確認(rèn)自身與地面之間的距離有多遠(yuǎn)。

這是為了讓地面控制中心更好地掌握航天器所處位置，不然在太空迷路可不是那么容易找到回家的路。

因此在地球表面的控制中心就會(huì)不停地向航天器發(fā)送信號(hào)（信號(hào)以光速傳播），當(dāng)航天器收到后，同樣也會(huì)進(jìn)行回復(fù)。

然后通過測量信號(hào)進(jìn)行雙向傳遞所需的時(shí)間，結(jié)合距離計(jì)算公式——速度乘以時(shí)間，地面控制中心就可以計(jì)算出航天器的飛行軌跡、所處位置及前進(jìn)方向。

看起來好像挺復(fù)雜，但簡化一下，其實(shí)和我們?nèi)粘Ｉ罘浅Ｏ嗨啤?/p>

假設(shè)你上班的地方距離你家有10分鐘的步行路程，并且已知你1分鐘可以走400米，那么你可以大約計(jì)算出你家與公司之間的距離，當(dāng)你從家中出發(fā)7分鐘后，你就可以知道你距離公司還有多遠(yuǎn)。

而這個(gè)7分鐘的時(shí)間我們一般是通過日常使用的時(shí)鐘來測量的。

不過航天器與地面控制中心之間的雙向傳遞時(shí)間卻不是我們?nèi)粘Ｊ褂玫臅r(shí)鐘能夠精準(zhǔn)測量的。

依照太空航行標(biāo)準(zhǔn)，用來計(jì)時(shí)的時(shí)鐘必須具有非常好的穩(wěn)定性，這個(gè)穩(wěn)定性指的是時(shí)鐘可以在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)準(zhǔn)確測量一個(gè)時(shí)間單位。比如說，它在幾天甚至幾周內(nèi)對一秒長度的度量必須相同。

而我們目前大多數(shù)時(shí)鐘一般都使用石英晶體震蕩器來計(jì)時(shí)。

這些振蕩器利用石英晶體的“壓電效應(yīng)”，通過向其施加電壓時(shí)，石英晶體會(huì)以精確的頻率產(chǎn)生振動(dòng)，而這個(gè)振動(dòng)就類似古老的擺鐘擺動(dòng)，以此勾勒出時(shí)間的足跡。

可惜石英鐘并不是很穩(wěn)定，即使是品質(zhì)最好的石英振蕩器，僅一個(gè)小時(shí)后，就會(huì)產(chǎn)生十億分之一秒的誤差，六周后，它們就可能會(huì)偏離整整一微秒。

這對于測量快速移動(dòng)的航天器位置將產(chǎn)生巨大誤差。

所以航天計(jì)時(shí)使用的是現(xiàn)今地球上最精準(zhǔn)的時(shí)鐘——原子鐘。

什么是原子鐘？

自上世紀(jì)五十年代以來，計(jì)時(shí)的黃金標(biāo)準(zhǔn)一直都是地面原子鐘。

1948年世界第一臺(tái)原子鐘

在1967年，國際計(jì)量大會(huì)通過了把原來基于天體宏觀周期運(yùn)動(dòng)的時(shí)間單位“秒”長定義改變?yōu)殇C133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。

簡單來說，我們知道原子是由被電子包圍的原子核（質(zhì)子和中子）組成。

而這些環(huán)繞原子核的電子并不穩(wěn)定，如果受到了類似微波形式的能量沖擊，這些電子就會(huì)上升到原子核周圍更高的軌道（能級(jí)）。

不過，兩個(gè)軌道（能級(jí)）之間的激發(fā)能量是固定，多了不行，少了也不行，因此電子必須準(zhǔn)確地接受適量的能量，才能完成躍遷，但幸好微波具有特定的頻率。

另外，使電子改變軌道（能級(jí)）所需的能量在每個(gè)元素中是唯一的，并且對于整個(gè)宇宙來說都是一致的。例如，使氫原子中的電子改變能級(jí)所需的頻率對宇宙中每個(gè)氫原子都是相同的。

正是由于原子中這些軌道（能級(jí)）之間的能量差非常準(zhǔn)確且穩(wěn)定，原子鐘才可以達(dá)到遠(yuǎn)超石英鐘的計(jì)時(shí)能力。

原子鐘的“太空導(dǎo)航”

雖然利用原子鐘可以得到信號(hào)雙向傳遞所需的精準(zhǔn)時(shí)間，但目前有個(gè)問題很尷尬。

這種雙向傳遞信號(hào)的方式也就意味著航天器無論離開了地球多遠(yuǎn)，它都必須等待攜帶地球指令的信號(hào)越過無垠宇宙之間的超遠(yuǎn)距離傳達(dá)過來后，再進(jìn)行下一步行動(dòng)。

這個(gè)場景可不是腦補(bǔ)出來的，在“好奇號(hào)”航天器著陸火星之前，就發(fā)生了這樣的情況，身處地球的控制中心發(fā)出的“確認(rèn)著陸”信號(hào)經(jīng)過了14分鐘，“好奇號(hào)”才收到了這個(gè)信號(hào)。

這種延遲屬于平均等待時(shí)間：依據(jù)的是地球和火星在太陽軌道上的位置。

并且這個(gè)問題不止尷尬，對于未來載人航天登錄其他行星也會(huì)有比較大的影響。

因此NASA實(shí)驗(yàn)了一種方法：將原子鐘直接裝在航天器上，也稱為深空原子鐘。

這時(shí)候航天器只需要接收來自地面控制中心發(fā)來的信號(hào)，上面的原子鐘就能準(zhǔn)確及時(shí)地得到信號(hào)傳達(dá)所花費(fèi)的時(shí)間，然后，航天器上的宇航員就可以計(jì)算出自己的位置和軌跡，并確定在太空中的方向。

實(shí)際上，航天器上安裝原子鐘并不是新鮮事，現(xiàn)在的導(dǎo)航衛(wèi)星（如中國的北斗衛(wèi)星）上都裝置了原子鐘。

當(dāng)我們使用手機(jī)上的導(dǎo)航軟件時(shí)，衛(wèi)星上的原子鐘可以根據(jù)手機(jī)信號(hào)傳遞到衛(wèi)星所需的時(shí)間來計(jì)算我們在地球上的位置，再結(jié)合3D地圖提供導(dǎo)航功能。

至于為什么不用衛(wèi)星上的原子鐘，主要還是因?yàn)樾l(wèi)星上的原子鐘穩(wěn)定性不夠。盡管原子處于真空環(huán)境中，也還是可能會(huì)受到諸如溫度、磁場等外部因素的作用，導(dǎo)致頻率誤差。

但深空原子鐘使用的并非中性原子，而是自帶電子的汞離子，這樣一來，汞離子就會(huì)被“離子陷阱”所保護(hù)，減少外界影響。

據(jù)NASA地面測試，汞離子深空原子鐘的穩(wěn)定性比GPS衛(wèi)星的原子鐘高50倍。

對于去往火星或其他行星等遙遠(yuǎn)目的地的任務(wù)，這種高精度的原子鐘將解放航天器，使太空自動(dòng)導(dǎo)航成為可能。

或許在有生之年，人類真能登上火星。

由科普中國重新排版編輯

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