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

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不停地向航天器發(fā)送信號（信號以光速傳播），當航天器收到后，同樣也會進行回復(fù)。

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

看起來好像挺復(fù)雜，但簡化一下，其實和我們?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，那么你可以大約計算出你家與公司之間的距離，當你從家中出發(fā)7分鐘后，你就可以知道你距離公司還有多遠。

而這個7分鐘的時間我們一般是通過日常使用的時鐘來測量的。

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

依照太空航行標準，用來計時的時鐘必須具有非常好的穩(wěn)定性，這個穩(wěn)定性指的是時鐘可以在一定時間內(nèi)持續(xù)準確測量一個時間單位。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)時鐘一般都使用石英晶體震蕩器來計時。

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，石英晶體會以精確的頻率產(chǎn)生振動，而這個振動就類似古老的擺鐘擺動，以此勾勒出時間的足跡。

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，僅一個小時后，就會產(chǎn)生十億分之一秒的誤差，六周后，它們就可能會偏離整整一微秒。

這對于測量快速移動的航天器位置將產(chǎn)生巨大誤差。

所以航天計時使用的是現(xiàn)今地球上最精準的時鐘——原子鐘。

什么是原子鐘？

自上世紀五十年代以來，計時的黃金標準一直都是地面原子鐘。

1948年世界第一臺原子鐘

在1967年，國際計量大會通過了把原來基于天體宏觀周期運動的時間單位“秒”長定義改變?yōu)殇C133原子基態(tài)的兩個超精細能階間躍遷對應(yīng)輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間。

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，這些電子就會上升到原子核周圍更高的軌道（能級）。

不過，兩個軌道（能級）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）所需的能量在每個元素中是唯一的，并且對于整個宇宙來說都是一致的。例如，使氫原子中的電子改變能級所需的頻率對宇宙中每個氫原子都是相同的。

正是由于原子中這些軌道（能級）之間的能量差非常準確且穩(wěn)定，原子鐘才可以達到遠超石英鐘的計時能力。

原子鐘的“太空導(dǎo)航”

雖然利用原子鐘可以得到信號雙向傳遞所需的精準時間，但目前有個問題很尷尬。

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

這個場景可不是腦補出來的，在“好奇號”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“確認著陸”信號經(jīng)過了14分鐘，“好奇號”才收到了這個信號。

這種延遲屬于平均等待時間：依據(jù)的是地球和火星在太陽軌道上的位置。

并且這個問題不止尷尬，對于未來載人航天登錄其他行星也會有比較大的影響。

因此NASA實驗了一種方法：將原子鐘直接裝在航天器上，也稱為深空原子鐘。

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

實際上，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。

當我們使用手機上的導(dǎo)航軟件時，衛(wèi)星上的原子鐘可以根據(jù)手機信號傳遞到衛(wèi)星所需的時間來計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，主要還是因為衛(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，汞離子就會被“離子陷阱”所保護，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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