你知道吗？我国发射的梦天实验舱上搭载着世界第一套空间冷原子钟组——氢原子钟、铷原子钟和光学钟，它们共同构建实验舱的时间频率实验室，让时间的精确度可做到数亿年误差小于1秒。
可是为啥要花费精力去搞冷原子钟，时间精确度有这么重要吗？原子钟的精确度能给我们带来什么？为了解决这些疑惑，就从人类对时间的测量开始回顾，顺着历史的脉络前进，探明原子钟背后的意义和原理。
在物理学中，时间是由它的测量来定义的：时间是时钟的读数。在这种定义下，计时器的精准程度决定着我们有多靠近时间的本质。计时装置的发展也是人类对时间认识的发展。
计时装置的历史可以追溯到古代文明首次观察天体在天空中移动的时候。通过一系列新的发明，计时的装置和方法逐渐得到改进，从最初通过连续过程测量时间，如水钟中的液体流动，到机械钟，最后是重复的、振荡的过程，如钟摆的摆动。摆动的计时器被用于所有的现代计时器。
公元前1500年，中国和古埃及开始使用日晷和水钟，后来被巴比伦人、希腊人使用。
中国在6世纪时开始使用香钟。中世纪时期直到14世纪中期，伊斯兰水钟的先进性是无与伦比的。而欧洲发明的沙漏，则是少数可靠的海上时间测量方法之一。
在中世纪的欧洲，纯粹的机械钟是在敲钟报警器基础上发展起来的，是欧洲和伊斯兰科学早期思想的综合。机械钟是一个重大的突破，它为以后300年的时钟设计奠定了基础。
从17世纪开始，人们发现时钟可以由谐波振荡器控制。
达芬奇在1493-1494年绘制了已知最早的钟摆图，1582年，伽利略-伽利莱研究了钟摆的规律摆动，发现频率只取决于长度而不是重量。荷兰惠更斯在1656年设计和建造了摆钟。
1840年，苏格兰钟表制造商首次使用电力来维持摆钟的运动，直到1940年代，石英计时器成为精确测量时间和频率的基础。
在布尔战争期间被公认为有价值的军事工具的腕表，在第一次世界大战后开始流行，其变化包括无磁、电池驱动和太阳能供电，石英、晶体管和塑料部件都被引入。
自2010年代初以来，智能手机和智能手表已成为最常见的计时设备。
今天实际使用的最精确的计时设备是原子钟，它可以精确到每年几十亿分之一秒，用于校准其他时钟和计时仪器。
2016年，我国自主研发的冷原子钟搭乘天宫二号进入外太空，这是全球首台精度达到7.2×10-16的空间冷原子钟，这意味着它运行3000万年后产生的误差也不会大于1秒，凭借一己之力把人类在太空中时间精度提高了1~2个数量级。
历经几年钻研，我国梦天实验舱世界第一套空间冷原子钟组，可做到数亿年误差小于1秒。
虽然原子钟对时间的测量已经十分精准，但理论上可观察到的最小时间步长（普朗克时间）约为5.391×10−44秒，远低于当前原子钟的分辨率10-14许多数量级。
要知道，时间测量的精准程度会影响到人类的基础物理研究，包括测量广义相对论、暗物质、引力波等；更精确的时间还可以让导航系统更稳定，导航精度更高。
原子钟
因此，发展更精准的原子钟对我国、对全人类的科学发展和生产生活都有着重大意义。
既然知道了原子钟的重要意义，那我们接下来就进一步去了解什么是原子钟和冷原子钟。
冷原子钟
大家都知道原子=原子核+若干电子，不过可能不清楚原子的一个特性，能量跃迁。
所谓能量跃迁，就是外界能量作用于原子时，电子会在一定范围内来回运动，向外远离原子核的过程吸收能量，向内回来的过程释放能量。
如果外界能量恒定，来回波动的节奏是固定的。原子钟是把原子某两个能级之间的跃迁信号作为参考频率输出信号的高精度时钟。
所谓冷原子钟，是原子钟的一种。冷原子钟会用激光定住原子，让它处于绝对零度附近，尽可能消除原子热运动产生的干扰，从而实现更高的精度。
另外，原子钟设置太空中，因为它尽最大可能排除了地球引力、温度等对电子波动的干扰，确保精准。
原子钟组，顾名思义是多个原子钟构成的套组，它利用多个原子状态的纠缠叠加，其中参考频率是各个跃迁频率的总和。选择叠加态使得单个原子中误差部分抵消，从而提高稳定性并减少相应的系统性变化。
目前，算上冷原子钟，所有主流的原子钟主要可以分为以下五种：
磁选态原子钟：是当前技术最成熟、空间应用最广泛的原子钟，主要包括铷钟、铯钟和被动氢钟。目前，欧盟的“伽利略”、美国的GPS、俄国的GLONASS和我国北斗系统是磁选态钟。但由于磁选态的选择不够精细，其精确度无法满足越来越高的时间计量精度要求。
脉冲光抽运原子钟：是一种新型的原子钟，它对原子利用率更高，原子钟寿命也要比磁选态原子钟更长。
但由于其与磁选态原子钟一样属于“热原子”，原子运动速度快，有效测量时间短，导致其精确度相较于磁选态钟有提升，但可提升上限并不高。
相干布居囚禁原子钟：通过相干布居囚禁现象来限制粒子的移动，进一步提高了稳定性，从而在原子钟的体积、质量、功耗和性能方面均优越于磁选态钟。
离子阱原子钟：基于离子阱原理，通过电磁场将带电离子束缚住，并将离子冷却至极低的温度，极大地降低离子的运动速度，可大幅度提高频率的准确度和稳定度。这种原子钟准确度、稳定度高，相对较易实现小型化，非常适合应用于空间系统。
冷原子钟：利用磁光阱技术将原子囚禁在规定区域内，然后通过激光冷却使其温度降低在绝对零度附近，使原子的运动极大幅度降低。这种原子钟精确度极高，具有非常大的发展潜力。
随着卫星导航系统以及深空探测的不断发展对空间原子钟性能需求的不断提升，推动与促进了空间原子钟技术的不断发展，它的未来方向主要有三个：
激光冷却技术应用
借助激光冷却技术，可以极大降低原子运动的速度，大大延长测量或观测的时间，提高观测、测量的分辨率与信噪比，减小原子钟物理部分的尺寸，理论上可使原子钟的性能提升１～２个数量级。
激光冷却技术的应用，不但能有效地提升空间原子钟的性能，而且对于降低空间原子钟的质量、体积、功耗，延长寿命均具有重要的意义和作用。
稳定的环境控制
原子钟，尤其是其物理部分，一般都有多层屏蔽壳体的保护，以避免、降低空间环境对原子钟的影响。
但是，原子钟还是会受到空间环境温度与变化、外部静电、磁场、电场与光环境的影响。
因此，环境温度控制与光、电、磁有效屏蔽与控制技术是保证空间原子钟性能与长寿命、高可靠运行的重要条件。
量子光学频率测量技术
原子钟性能的不断提升，要求区分更加精细的原子（离子）跃迁能级，分辨更加精细的跃迁谱线。
随着具有更高精度与稳定度的离子阱原子钟、冷原子钟的出现，现代测量技术已经无法满足其高精度频率测量的要求。
要获得更加精细原子钟跃迁谱线，需要更高频率的测量与频率合成等技术。量子光学频率测量技术的出现，解决了以上难题，为测量装置的小型化提供了支撑。
人类为何费劲力气提高原子钟的精度？因为原子钟的作用影响深远，在军事、导航和物理研究领域都离不开它。
弹载原子钟在军事导弹的应用
导弹中GPS定位系统过去主要使用是高精密度且使用条件苛刻的石英钟，近年来有的新型导弹已改用小型超薄原子钟和新出现的芯片原子钟。
相较于传统的石英钟，小型原子钟在定位精度、成本、体积和质量、环境条件都具有绝对优势，可以毫不犹豫地说原子钟是未来战术导弹弹载钟的重要发展方向。
星载原子钟在导航系统的应用
原子钟是卫星导航系统最重要的有效载荷，是导航卫星的心脏。卫星想要直到准确的位置和距离，就必须要有准确的计时器，通过信号发送和接收的时间间隔计算距离，可以说计时的精准程度决定了导航卫星的定位、导航、授时服务水平。
如果能将现有的冷原子钟小型化，从而可放置于北斗导航卫星上，那么未来北斗上的原子钟精确度可以比当前再提高一个数量级。
原子钟在基础物理方面的应用
原子钟可以在很多方面帮助我们去探索物理学的前沿知识，比如，在已知空间站轨道和速度的情况下，通过对比外空间冷原子钟和地面喷泉钟的频率差，可以直接测量引力频移；通过观察原子钟的钟跃迁频率比值随时间的变化，可以验证基本物理常数是否随时间变化；利用空间冷原子钟，可以在更高的精度上测量光在不同转播方向速度是否一样，从而验证狭义相对论。
针对空间冷原子钟的研究，除了欧航局有计划在2013年发射空间冷原子钟，美国也曾经有类似项目，例如PARCS、RACE等，但是由于美国航天策略改变，这些项目目前不是被暂停，就是经费大量被砍。
与此同时，我国积极开展空间冷原子钟项目，不断推进冷原子钟计时的精准度，未来更高精度原子钟将会更好地服务于将来的第三代定位导航系统，提供更加优质的导航服务。在冷原子钟的技术钻研让我国在这一领域实现技术领先，未来也必将以点带面带动更多技术和领域发展，实现科学技术的全面开花。
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