梦天实验舱创造历史，将搭载世界首套冷原子钟组，它到底有多强？

10月31日，梦天号实验舱成功发射，中国天宫空间站的主体建设已经完成，只剩下最后一个巡天望远镜，但更重要的是梦天号也创下了数个世界之最。

首先它的尺寸和问天号一样，并列为世界上体积最大的空间站舱段，其次它搭载了世界上第一套空间冷原子钟组，它的精准度高得惊人，可以在数亿年时间里控制误差在1秒以内。

其实早在2016年，中国天宫二号试验飞船就已经搭载了全球首台冷原子钟，而这次冷原子钟组就是在它的基础上进行全方面升级。

对于中国来说，这是一个值得我们所有人铭记的事件，

因为原子钟被称为导航系统的“心脏”，难度系数非常高，也是大型航天器必不可少的设备。

在原子钟上，我们航天人曾经吃足了苦头，不仅长期被欧美技术封锁，而且各种胁迫手段层出不穷，比如拒绝售卖、逼我们签下霸王条款、临时涨价、拖延成品交付，这些都不说了，甚至有一次直接毁约，差点让我们的航天事业遭遇重大挫折。

可以说，在华为身上遇到的问题，早在原子钟上就已经上演过了。

那么问题来了，梦天实验舱上为啥要用这么多的原子钟呢？中国原子钟又是如何实现逆天翻盘的呢？

大家好呀，我是熊猫，今天把星载原子钟背后的故事说清楚。

梦天舱之所以搭载这么多原子钟，主要与它的研究有关系，我们的空间站有2个实验舱，它们都是用来研究基础学科的，不过问天舱主要是生物类的研究，所以配置了生物技术、变重力科学等实验柜。

而梦天舱则更偏向物理的微重力学科，而它上面的冷原子钟组就是为科学研究服务的，

它由氢原子钟、铷原子钟、锶光学钟共三种高精度的原子钟组成，这三种原子钟的原理类似，都是利用原子的跃迁时，产生的电磁波共振频率来计时的。

咋一听着好像很复杂，其实它的原理和钟摆差不多。

钟摆是用摆动作为时间频率的标准，而原子钟顾名思义就是利用原子的电磁波频率标准，咱们不需要了解得太深，只要知道这个频率非常快，所以以它为参照物做出来的装备，可以达到非常精确的地步。

比如钟摆的时间频率可能是数秒每次，但是原子钟的电磁波频率却可以达到每秒百万次。

因为时间精度更高，所以原子钟也被用在导航定位和太空深空探测上，现在几乎所有的卫星和航天器都会打造原子钟，从而实现精准定位。

这次梦天号冷原子钟组的三种原子钟就是如此，其中铷原子钟是目前原子钟里面最简单，也是最成熟的，大部分航天器用的都是这一种。

而氢原子的稳定性和精度更高，是主动型星载原子钟，至于锶光学钟，它是更新型的原子钟，不再以电磁波频率为时间标准，而是以光频率为时间标准，它的振荡频率每秒可进行430万亿次，所以用它制造出来的原子光钟，精度误差高达50亿年1秒。

由它们三个组成的空间冷原子钟，将成为太空中最精准的时间频率系统，其他的卫星原子钟可以以它为时间基准进行调校，从而提高卫星的精准度，比如我们的北斗导航卫星，就可以以它为标准，进行调整。

总的来说，有了它，我们不仅在科学研究上将更进一步，还能为其他卫星服务，同时我们普通人也能受益，所以世界各国都在研究原子钟，而我国空间冷原子钟成为世界第一套星载系统，值得我们所有人铭记。

然而这样重要的设备，中国在上世纪90年代的时候，一直处于被封锁的阶段。

当时世界上第一个原子钟诞生在1955年，而中国直到1996年才第一次立项，晚了西方40年。

当时老美与伊拉克爆发“海湾战争”，他们的武器利用GPS导航精确制导，在第一时间就将伊拉克重要的军事基地和基础设施摧毁，伊拉克军队甚至找不到对手在哪里！

全球各国第一次认识到卫星导航的重要性，有能力的大国都希望建设自己的导航系统，卫星导航难度非常高，在那个年代只有美国和俄罗斯有。

于是我国和欧盟都开始计划搭建自己的北斗导航系统，然而一开始时，我们的技术薄弱，很多核心设备都需要依赖进口。

尤其是原子钟，它被称为导航系统的“心脏”。

因为导航是根据电磁波来测量差距来判断位置，电磁波的速度和光速一样快，每秒可以达到30万千米左右，也就是这个公式：s=ct，所以导航时间的标准需要非常精确，才能实现精准测距，否则就是差之毫厘失之千里。

这样的设备建造难度非常高，只有欧美少数几个国家可以自主生产，而且对我们完全进行技术封锁，只允许少量的 设备售卖给我们，而且还是精准度和可靠性非常低的产品。

我们的北斗一号卫星用的就是这种低精度的原子钟，所以当时我们的北斗精度非常差，定位精度只能达到20米。

相比之下，老美的GPS民用领域的精度都达到10米，军用上，精度更是可以达到1米，两者相差巨大。

所以当时国内外都在嘲笑我们北斗的属于面子工程。

不过在那时候，北斗的目标是先解决从无到有的过程，既然没得选择，只能将就着用。

2000年，我国向国际电联申请了频段资源，正式开启北斗二号建设，结果在关键时刻

欧美企业在他们的政府的要求下均以保密为由，拒绝售卖原子钟给我们了。

我们被迫无奈，花了很大精力才联系到一家欧洲企业，勉强愿意售卖给我们，结果在临近签约的时候，又被阻挠了，这家企业对我们的售价数次提价，还逼迫我们签订霸王条款，比如售卖给我们的原子钟精度必须要比欧盟伽利略要低一个等级以上，然后发货的时候，还要他们政府批准才可以。

反正怎么夸张怎么来，签约条件一变再变，更过分的是，发货日期要拖延18个月以上，而这个条件我们完全不能接受。

因为当时，我们申请频段后，欧空局邀请我们一起建设伽利略系统，结果整整坑了我们数年时间，后来我们虽然重启北斗二号，但是距离频段失效时间只有一点点了，根本等不起。

其实明眼人应该已经看出来了，涨价和条约都只是幌子，这家企业目的就是拖延我们北斗2号的进度。

但原子钟本来就是人家的，他们不卖，我们强迫不了？

关键时刻，北斗二号总设计师孙家栋痛下决心，表示“就算砸锅卖铁也要做出自己原子钟，我们不能再被卡脖子了”。

这个决定让所有北斗人都感到了热血沸腾，他们立下誓言要将原子钟真正国产化，当年北斗工程总队召集了全国的原子钟专家，组建了国内三支顶尖原子钟研发队伍，进行同步赛马，

其中就包括梅刚华，李春景等科学家团队，对原子钟技术进行攻关。

结果我们知道了，在截止日期前，这三支队伍全部获得成功，原子钟如期交付，北斗2号卫星成功发射，我们顺利地拿下了宝贵的频段资源。

那么问题来了，仅仅两年不到，我国就攻克了原子钟，原子钟不是技术难度很高吗？为啥我们能在这么的短时间内就攻克呢？

原子钟难度确实很高，我国之所以能在两年不到的时间里，就攻克了这项技术，并不是我们临时起意，而是早已经准备多年，从1996年开始，原子钟就已经成为我们的重大专项，并且有非常多的科学家在默默奋斗。

其中就有三支技术攻坚队伍的中的负责人，梅刚华。

梅刚华跟原子钟接触得比较早，在1985年刚从武汉大学硕士毕业的他，后来被分配到了武汉物数所（中科院物理与数学研究所）工作，而武汉物数所在那时候已经对原子钟展开过研究了，所以再到后来96年立项原子钟的研究时，已经拥有了10年的研究经验的梅刚华，无疑是最合适的人选。

梅刚华在接到任务后，第一时间分析了我国当时的条件，最终决定尽快满足北斗二号的需求，于是他选择了当时主流的铷原子钟作为突破口，而铷钟恰恰就是它最擅长的。

因为他在铷钟上，已经研究了十多年了。

在早期研究铷钟的时候，我国与西方的差距在两个数量级以上，不管是可靠性、寿命还是在环境适应性上面，差距非常大，更惨的是，我们对要怎么设计也毫无头绪。

如果原子钟的误差超过1秒，地面的定位距离就会偏差超过30万公里，所以误差是绝对不能很大的，所以原子钟的性能必须要有保证。

那要怎么办呢？

一开始，梅刚华团队想到的是请外援，于是在那时物数所请了瑞士天文台的一位专家来指导，铷钟上重要的核心部件微波腔的模型，结果前后只做了三个月，别人出工不出力，成效有限，

请外援不成，剩下能倚仗的就是自己了。

为此，梅刚华亲自带领团队下场，在经过认真研究后，梅刚华推翻了外国专家制作的微波腔模型，而是创新性的研发出了一个新型的微波腔结构-开槽管微波腔。为了将这个部件落地化，一个只有几根手指大小的开槽管样品，就做了整整几个抽屉，最终获得了成功。

当然，梅刚华在研制的过程中遇到的困难不仅仅有这些，还有铷光谱灯的研发设计问题，铷钟的电路噪声太大等等问题，但都被梅刚华团队一个个攻破了。终于在2000年，第一个星载铷原子钟原理样机制作出来了。

当然，只有原理样机还是不够的，铷原子钟不仅要在实验室里能用，也要在外太空中能用，而且是长期，稳定地使用，所以必须精度和稳定性都要很高，于是在又经过了5年不间断的研究攻克，2005年，第一台星载铷原子钟性能样机诞生了，同年 ，梅刚华接到北斗星载铷钟的任务。

当然这台铷钟虽是性能样机，但还不能作为北斗的正式产品，于是又经过一年时间，2006年，中国星载铷钟第一代的量产样品也诞生了。自此中国终于突破了国外封锁，掌握了铷原子钟的自主生产能力。

这中间还发生了一件比较有意思的事情 ，在得知我国已经成功研制出了原子钟后，原先欧洲的那家原子钟厂商，反而自己找上了门，说原先那些条件不用我们做到了，价格也好商量，问我们还买不买他们的原子钟。

当然傻子也知道，他们是想借此挤掉我们的国产原子钟，北斗总工当然不能答应

2007年4月14日，第一个北斗导航2号卫星，随着长征三号火箭，顺利升空。2天后，北斗2号卫星顺利达到预定轨道并成功往北京发送回信息，中国北斗的频段，守住了。

而其他两只团队的境遇也差不多，他们先后完成了原子钟的攻克，为中国北斗导航系统保驾护航，比如李春景，他们研发的原子钟也搭载在北斗卫星上。

此后为了中国航天不再卡脖子，在原子钟上，我国也是奉行“研发一代，论证一代，应用一代”理念，不仅要继续对原有的原子钟进行技术升级，还相继研发出性能更先进的原子钟，光钟。

2017年11月，中国北斗三号系统一次实现双星发射，这一次我们将面对商用，不仅要实现从有到精，还要与老美GPS竞争，所以需要更先进的原子钟，而我们北斗卫星搭载的就是我国自行研制的新型的铷原子钟和氢原子钟。

当然，这些原子钟都是国产的。

以氢原子钟为例，这是当时国际上最先进的原子钟之一，其精度最高能达到数百万年误差一秒，达到了世界先进水平。

当然，中国的航天人并没有就此自满，原子钟的团队依然在不断进步，在2016年的天宫二号上，我国推出了世界第一台冷原子钟，精度又是提升了数个数量级，达到了3000万年误差一秒。

在这一次梦天实验舱上，我国这次的空间冷原子钟组采用的铷原子钟、氢原子钟和光钟的组合就是这么来的，有了这个系统，我们在导航精度和时间精度上，将不会再落后任何国家。

时至今日，原子钟已经成为航天器的标配，如果没有当初的封锁和科学家的努力奋斗，我们就没有现在航天事业的辉煌。

所以我才说， 这台冷原子钟组值得我们所有人铭记，它代表了中国航天人奋斗的历史和心血，。

希望大家也给这些科学家点点赞，记住他们。

好了，我是熊猫，我们下期见！