美國宇航局一種新的、超精密太空原子鐘，有朝一日或能幫助宇宙飛船在不依賴地球時鐘的情況下自行駕駛宇宙飛船穿越深空。太空原子鐘被稱為深空原子鐘(DSAC)，工作原理是測量困在其小框架內(nèi)的汞離子行為。

深空原子鐘自今年6月以來一直在軌道上運行，在8月23日首次成功啟動，但深空原子鐘外觀一點也不華麗，只是一個四片烤面包機(jī)大小的灰色盒子，里面裝滿了各種器件。

但關(guān)鍵是這個不起眼的大小，NASA科學(xué)家努力設(shè)計的一種時鐘，它足夠小，可以裝載到任何航天器上，并且足夠精確，可以在不需要地球上冰箱大小原子時鐘的情況下，在深太空中引導(dǎo)復(fù)雜的操作。在太空需要一個精確的時鐘來找到你在太空中的飛行路線，因為太空又大又空。很少有地標(biāo)可以用來判斷位置或速度，而且大多數(shù)都太遠(yuǎn)了，無法提供準(zhǔn)確的信息。因此，每一個決定都是改變飛船的轉(zhuǎn)向，還是啟動推進(jìn)器？

都要從三個問題開始的：我在哪里？我移動的速度有多快？我在哪個方向？回答這些問題的最好方法是看那些已經(jīng)知道答案的物體，比如地球上的無線電發(fā)射器，或者GPS衛(wèi)星沿著已知軌道穿過太空。在A點以光速發(fā)送信號，并測量到達(dá)B點所需的時間。就能知道A和B之間的距離。從另外兩個位置再發(fā)送兩個信號，就會有足夠的信息來確定B點在三維空間中的確切位置（手機(jī)上的GPS就是這樣工作的：通過不斷檢驗不同軌道衛(wèi)星廣播的時間信號微小差異）。為了導(dǎo)航太空，NASA目前依靠的是一個類似但不太精確的系統(tǒng)。

大多數(shù)原子鐘和廣播設(shè)備都在地球上，它們共同形成了所謂的深空網(wǎng)絡(luò)。所以NASA通常不能一次從三個來源計算出航天器的位置和速度。取而代之的是，當(dāng)?shù)厍蚝陀钪骘w船隨著時間的推移在空間中移動時，NASA使用一系列測量來確定宇宙飛船的方向和位置。為了知道航天器在哪里，需要接收來自深空網(wǎng)絡(luò)的信號，計算信號到達(dá)的時間，并使用光速來確定距離。要做到非常精確，需要能夠盡可能精確地測量這些時間：信號發(fā)送和信號接收時間。

而在地面上，當(dāng)從深空網(wǎng)絡(luò)發(fā)送這些信號時，有非常精確和準(zhǔn)確的原子鐘。到目前為止，擁有的那些足夠小、功率足夠低的時鐘可以在航天器上飛行，被稱為超穩(wěn)定振蕩器，這是一個完全錯誤的稱謂，因為它們不是超穩(wěn)定，雖然記錄接收信號的時間，但準(zhǔn)確度非常低。由于太空船上的位置數(shù)據(jù)如此不可靠，要弄清楚如何導(dǎo)航：例如何時開啟推進(jìn)器或改變航線要復(fù)雜得多，必須在地球上完成，換句話說，地球上的在從數(shù)十萬或數(shù)百萬英里之外駕駛宇宙飛船。

但如果能用原子鐘非常準(zhǔn)確地記錄飛船上接收到的信號時間，就能在飛船上收集所有跟蹤數(shù)據(jù)，并設(shè)計計算機(jī)和無線電，使飛船等航天器能夠自動駕駛。NASA和其他太空機(jī)構(gòu)以前也曾在太空放置過原子鐘。如整個GPS衛(wèi)星都攜帶原子鐘。但是，在大多數(shù)情況下，它們對于長期工作來說太不準(zhǔn)確和笨拙了。太空環(huán)境比地球上的研究實驗室惡劣得多。當(dāng)時鐘在陽光下進(jìn)出時，溫度會發(fā)生變化，輻射水平上下波動。

這是一個眾所周知的航天問題，通常做法是發(fā)射抗輻射的部件來保護(hù)，這些部件可以在不同輻射環(huán)境中工作，具有相似的性能。但是輻射仍然會改變電子設(shè)備的操作方式，而且這些變化影響了原子鐘用來測量時間的敏感設(shè)備，有可能引入不準(zhǔn)確，每天都要多次向GPS衛(wèi)星的時鐘上傳校正，以防止它們與地面上的時鐘不同步。深空原子鐘的目標(biāo)是建立一個系統(tǒng)，不僅足夠輕便和簡單，可以安裝在任何航天器上，而且足夠耐用，可以在太空中長期運行，而不需要地球團(tuán)隊的不斷調(diào)整。

除了能使用地球信號進(jìn)行更精確的深空導(dǎo)航之外，深空原子鐘有朝一日可能會為遠(yuǎn)方前哨的宇航員提供極大的幫助，就像在地球上使用測繪設(shè)備所做的那樣。配備深空原子鐘設(shè)備的一小批衛(wèi)星可以繞月球或火星軌道運行，取代地球GPS系統(tǒng)，并且這個網(wǎng)絡(luò)不需要一天修正幾次。未來，深空原子鐘或類似設(shè)備可能會在脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮作用，該系統(tǒng)將能跟蹤其他恒星系統(tǒng)發(fā)出光脈沖等事件的時間，未來一年NASA的目標(biāo)是讓第一個深空原子鐘在接近地球的軌道上正常運行。

博科園｜文：Rafi Letzter/Live Science

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