随着“天宫二号”的发射，一个看起来与我们日常时钟完全不同的黑色圆柱体——空间冷原子钟进入太空，开始执行任务。这款由中国科学院上海光学与精细力学研究所研制的“计时魔针”，可以以1秒的误差实现约3000万年的超高精度。它是世界上第一个在轨道上运行并进行科学实验的太空冷原子钟，也是目前在太空运行的精度最高的原子钟。那么，它是如何达到如此超高的精度的呢？它是用来做什么的？
超高精度“高冷”时钟
太空冷原子钟是在地面喷泉原子钟的基础上发展起来的喷泉冷原子钟。科学家将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合。它主要包括四个部分：物理单元、微波单元、光学单元和控制单元。与之前最高精度300万年、空间误差1秒的热原子钟相比，这款冷原子钟的时间精度提升了10倍。
中国科学院上海光学与力学研究所量子光学重点实验室主任如释重负地说，如果机械表一天几乎有一秒钟的误差，石英表10天大约有一秒钟的误差，氢脉泽几百万年有一秒钟的误差，那么这个冷原子钟可以达到3000万年一秒钟的误差。
太空冷原子钟超高精度的秘密主要在于“高冷”:一方面得益于天宫二号在太空的微重力环境；另一方面，是因为它自身的“冷”。
在微重力环境下，原子群可以做超慢速匀速直线运动。基于这种运动的精细测量，可以获得比地面更精确的原子谱线信息，从而获得更高精度的原子钟信号，实现地面无法实现的性能。这是原子钟和时间基准发展史上的重要突破。
此外，利用激光冷却技术，将原子气体冷却到极低的温度，大大消除了原子热运动对原子钟性能的影响。
“这就像坐在一个房间里，虽然看不到原子或分子，但里面的原子或分子是在运动的，而运动会产生热量，也就是热原子。冷原子技术是利用激光将原子温度从室温降低到接近绝对零度。测量这些几乎不动的原子将使结果更加准确。”舒适服解释道。
广泛使用的实用时钟
空间冷原子钟可以在不受干扰的情况下，对空间其他卫星上的原子钟时间信号进行传输和校准，从而避免了大气和电离层状态多变的影响，使基于空间冷原子钟计时的全球卫星导航系统更加精确和稳定。与此同时，冷原子技术的发展大大提高了许多实验的精度，使得进行以前不可能的实验成为可能。
比如在深空导航定位方面，如果能将高精度原子钟放置在太空中合适的位置，就可以实现大规模高精度导航。“最合适的位置是太阳系中的拉格朗日点，因为它们不受重力影响，”舒适服说。如果在这些点中的每一点都放置一个高精度原子钟，至少可以在太阳系的大范围内实现精确定位。一旦做到这一点，就可以进行大规模的时空研究。”
同时，空间冷原子干涉仪可以代替空间激光干涉仪探测轨道上的引力波。过去用激光干涉仪探测引力波需要两臂，这意味着所有方案都必须有三个位置，即需要三颗卫星。目前我国的“太极计划”和“秦天计划”都需要三颗卫星探测空间引力波，而空间冷原子干涉仪只需要两颗卫星探测引力波，降低了技术难度和成本。
此外，空间冷原子钟还可以测量引力红移。根据广义相对论，没有统一的时间概念。在不同的引力场中，时间是不同的。“如果我们天空中有一个原子钟，地面上有一个原子钟，两者都非常精确，那么我们可以通过比较知道时间差，然后我们就可以测量万有引力。”
原子钟使计时精度迅速发展，太空冷原子钟是人类计时史上的一次革命。
在漫长的历史中，人们对时间一直有自己的判断和衡量方法。日晷、水钟、沙漏和其他计时装置标志着人造钟的开始。
随着钟摆等可以长时间周期性运动的振荡器的出现，人们发明了可以连续运行的钟表，如摆钟。在此基础上，日益精密的机械钟表逐渐发展起来，计时精度达到基本满足人们日常计时需求的水平。随着晶体振荡器的发明，体积小、能耗低的应时晶体时钟在电子计时器等各种计时领域取代了机械钟，至今仍是主要的计时工具之一。
从20世纪40年代开始，科学家们研制出了比水晶钟精度更高的原子钟，并在此基础上研制出喷泉冷原子钟。
2016年，经过科学家近10年的努力，我国首个空间冷原子钟研制成功，并与天宫二号一起发射升空，不仅为各种量子传感器奠定了技术基础，还在一系列重要领域做出了贡献。
“在未来，可能会有更精确的核钟，”欣慰的服装说。“我们的最终目标是创造出在宇宙生命周期中永不偏离轨道的时钟。”rxdhy