美国宇航局将于明日（6月24日）用猎鹰重型运载火箭将一个令人难以置信的新原子钟送入轨道，这是一项可能改变人类探索太空方式的技术任务。深空原子钟由美国宇航局喷气推进实验室开发，是对我们在地球上使用的原子钟以及已经在卫星上运行原子钟的太空升级。美国宇航局在一份声明中表示：理想情况下，这种新型原子钟将使宇宙飞船能够更自主地导航到太空中的遥远物体，比如火星上的物体。
科学家们希望利用深空原子钟来精确测量宇宙飞船的位置，这将使在深空飞行的宇宙飞船能够在不与地球进行太多通信的情况下自行行动，这将大大改善目前航天器的导航方式。天文学家已经使用时钟在太空中导航，向宇宙飞船发送信号，宇宙飞船再把信号传回地球。往返的时间告诉科学家宇宙飞船到地球的距离。这是因为信号是以光速传播的，所以考虑到往返航天器的时间，找到距离只是一个简单的计算。
随着时间的推移，通过发送多种信号，科学家可以计算出宇宙飞船的轨迹——包括它的位置和它要去的地方。为了在很小误差范围内知道航天器的位置，天文学家需要非常精确的时钟，可以测量十亿分之一秒。还需要非常稳定的时钟，这里的“稳定性”指的是时钟测量时间单位的一致性。虽然你会认为时钟和“秒”测量的时间长度总是一样，但时钟有漂移的趋势，会慢慢地把越来越长的时间标记为“秒”。
为了测量宇宙飞船在遥远空间的位置，天文学家们需要他们的原子钟在数天或数周内保持一致，超过十亿分之一秒。从我们手腕上佩戴的时钟到卫星上使用的时钟，现代时钟大多使用石英晶体振荡器来计时。这些装置利用了石英晶体在电压作用下振动的精确频率，振动就像落地钟上的钟摆。但是根据太空导航的标准，石英晶体时钟根本就不是很稳定。六周后误差可能达到整整一毫秒，相当于光速185英里(300公里)。这么大的误差将对测量快速移动的航天器位置产生巨大影响。
原子钟将石英晶体振荡器与某些类型的原子结合起来，以创造更好的稳定性。美国宇航局深空原子钟将使用汞原子，4天后误差小于1纳秒，后误差小于1微秒，要经过1000万年的时间，时钟才会出现一秒钟的误差。原子钟利用原子的结构，这一点也许并不令人惊讶，原子是由质子和中子组成的原子核被电子包围着。每个元素的原子都有不同的结构，原子核中质子的数量也不同。虽然每种原子所拥有的电子数量可能不同，但电子占据不同能级。
而恰好适量的能量震动可以使电子在原子核周围跃迁到更高能级。使一个电子跃迁所需的能量对每个元素都是唯一，并且与该元素的所有原子一致。喷气推进实验室的原子钟物理学家埃里克伯特(Eric Burt)说：这些轨道之间的能量差是如此精确和稳定的一个值，这是制作原子钟的关键因素，这就是原子钟能够达到机械钟之外性能水平的原因。从本质上说，原子钟可以自我校正，在原子钟中，石英振荡器的频率被转换成应用于特定元素原子集合的频率。
如果频率是正确的，它将导致原子中的许多电子跃迁能级，但如果不是这样，跳跃的电子就会更少。这告诉时钟，石英振荡器是off-frequency和多少纠正它。在深空原子钟上，这种校正每隔几秒就计算一次，并应用到石英振荡器上。但这并不是深空原子钟的特别之处，这个时钟不仅使用汞原子，它还使用带电的汞离子。因为离子是带电荷的原子，它们可以被包含在电磁“陷阱”中。这使得原子无法与真空室的壁面相互作用，这是普通原子钟中中性原子的一个常见问题。
当与真空壁相互作用时，诸如温度之类的环境变化会引起原子本身的变化，并导致频率误差。深空原子钟不会受到这种环境变化的影响，因此将比GPS卫星上使用的原子钟稳定50倍。在周一发射后，科学家们将能够开始测试时钟的精度，因为它在轨道上运行了几天，然后是几个月。深空原子钟将由位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的SpaceX猎鹰重型火箭作为24个有效载荷之一发射升空，4小时的发射窗口在美国东部时间晚上11:30(格林尼治时间6月25日0330)打开。
博科园｜参考信息：NASA
文：Kasandra Brabaw/space
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