地理那些事
要想弄清楚這個問題，首先需要了解什麼是原子鐘：
欲拒還休：揭開原子鐘“神秘的面紗”
原子鐘是一種利用微波中的超精細躍遷頻率、光學中的電子躍遷頻率或原子電磁光譜中的紫外區作為其計時元件頻率標準的時鐘裝置。原子鐘是當今世界已知的最精確的時間和頻率測量基準，並已被用作國際時間分配服務的主要計量標準。目前，該標準主要應用在控制電視廣播的波頻、以及全球衛星導航系統(如GPS)的測量定位中等。
圖 FOCS-1原子鐘(瑞士)。主要頻率基準裝置，是世界上最精確的時間測量裝置之一，攝於瑞士聯邦計量院。
原子鐘以原子物理學為主要工作原理：它以測量原子中電子在改變能級時發出的電磁信號為主要基準。早期的原子鐘使用室溫環境下的微波發射裝置（Masers），自2004年以來，一種更準確的原子鐘問世，該種原子鐘首次將原子在絕對零度下冷卻，並利用激光使它們減速，隨後在微波釜內進行探測。通過這種方法制造的原子鐘的一個最典型例子為NIST-F1原子鐘，它目前是美國的國家時間和頻率計量標準之一。
圖 NIST-F1原子鐘
原子鐘之所以了不起，是因為它極其精準的精度。
原子鐘的精度主要取決於兩個因素：
第一個是樣品原子的溫度：在絕對零度下，原子移動得速度較慢，這就允許較長的探測時間，提高了測量精度；
第二個是電子或超精細躍遷的頻率和固有線寬：更高的頻率和更窄的線寬增加了測量精度。
原子鐘的這種特點，使得許多國家的國家標準機構都有一個原子鐘網絡。這些原子鐘之間相互比較，並保持每天0.000000001秒的同步精度，這就意味著1億天才會產生1s的同步誤差。正是因為原子鐘極其準確的時間精度，才成為NASA發射深空原子鐘的最主要原因 。
撥雲見日：NASA為什麼發射深空原子鐘？
NASA發射深空原子鐘的一個最主要目的，是為了實現外太空探索的自主導航，開啟更加精準、方便的“星際征途”。
圖 芯片級原子鐘
如果NASA深空原子鐘的太空佈局進展順利，那麼就會在最短的時間內發揮功用，甚至為未來的地月探索方式、自主執行任務等方面提供里程碑式的轉變。
總之，利用NASA深空原子鐘實現太空自主導航、減少與地球之間的頻繁通信，將是現階段航天器航行方式的巨大改進。
工學腦洞
美國宇航局將於今天(6月24日)使用獵鷹重型運載火箭將一個令人難以置信的新原子鐘送入軌道，這是一項可能會改變人類探索太空方式的技術演示任務。
該深空原子鐘由美國宇航局噴氣推進實驗室開發，是對我們在地球上使用的原子鐘以及已經在GPS衛星上使用的原子鐘的太空升級版本。
美國宇航局在一份聲明中說，在理想情況下，這種新型原子鐘將使宇宙飛船能夠更自主地導航到深空中的遙遠天體，比如火星。科學家們希望能夠利用深空原子鐘來精確測量宇宙飛船的位置，這樣的話，在深空中飛行的宇宙飛船就能夠在不與地球進行太多通信的情況下自主行動。NASA表示，這將大大改善目前航天器的導航方式。
但它的原理是什麼呢?
天文學家早已經使用時鐘在太空中導航。他們向宇宙飛船發送信號，宇宙飛船再把信號傳回地球，信號往返的時間就可以告訴科學家們宇宙飛船和地球之間的距離。這是因為信號是以光速傳播的，所以加上往返航天器的時間，航天器和地球之間的距離只需要做一個簡單的計算就可以得出。在一個時間段內發送多個信號，科學家還可以計算出宇宙飛船的軌跡——包括它曾經所在的位置和它即將要去的地方。
但據美國宇航局稱，為了儘可能精確地得到航天器的位置，天文學家需要非常精確的時鐘，精度要求達到可以測量十億分之一秒。他們還需要這個時鐘保持穩定，這裡的“穩定性”指的是時鐘測量時間單位的一致性，你可能會認為，時鐘對“秒”的測量時間長度總是一樣的，但時鐘其實有移位的趨勢，它會慢慢地把越來越長的時間長度標記為“秒”。為了測量宇宙飛船在深空中的位置，天文學家們需要他們的原子鐘在數天或數週的時間內都儘可能精確地保持一致，測量時間長度誤差不能超過十億分之一秒。
從我們手腕上佩戴的時鐘到衛星上使用的時鐘，現代時鐘大多使用石英晶體振盪器來計時。美國宇航局在聲明中說，這些裝置利用的都是石英晶體在電壓作用下的振動精確頻率(這些振動就像落地鐘上的鐘擺)。
但在太空導航的標準下，石英晶體時鐘根本就不夠穩定。在運行六週後，它們的誤差可能會達到整整一毫秒，在光速下一毫秒的時間就相差185英里(300公里)。NASA表示，這麼大的誤差對測量快速移動航天器的位置會產生巨大影響。
而原子鐘則將石英晶體振盪器與某些類型的原子結合了起來，創造出了更好的穩定性。美國宇航局的深空原子鐘將使用汞原子，運行4天后誤差小於1納秒，10年後誤差小於1微秒，據美國國家航空航天局稱，要經過1000萬年的時間，原子鐘才會出現一秒鐘的誤差。
原子鐘利用的是原子的結構，原子的原子核由質子和中子組成，外層被電子包圍。每個元素的原子都有不同的結構，原子核中質子的數量也不同。雖然每種原子所擁有的電子數量可能不同，但電子佔據著不同的能級，而適量的能量震動可以使電子在原子核周圍躍遷到更高的能級。
使一個電子發生躍遷所需的能量對每個元素來說都是唯一的，並且與該元素的所有原子一致。噴氣推進實驗室的原子鐘物理學家埃裡·克伯特(Eric Burt)在聲明中說：“這些軌道之間的能量差是一個非常精確和穩定的值，而這正是製作原子鐘的關鍵因素，這就是原子鐘的性能水平能夠超過機械鐘的原因。”
從本質上說，原子鐘可以進行自我校正，在原子鐘中，石英振盪器的頻率被轉換成應用於特定元素原子集合的頻率。如果頻率是正確的話，它將會導致原子中的許多電子躍遷能級。但如果頻率不正確的話，發生躍遷的電子數量會減少。這就告訴了時鐘，石英振盪器已經產生了誤差，以及需要作出多少校正。在深空原子鐘上，這種校正每隔幾秒就會計算一次，並應用到石英振盪器上。
但這並不是深空原子鐘的特別之處，這個時鐘不僅使用汞原子，它還使用帶電的汞離子。
因為離子是帶電荷的原子，所以它們可以被包含在電磁“陷阱”當中，這使得原子無法與真空室的壁面相互作用(這是普通原子鐘中中性原子的一個常見問題，當它們與真空壁相互作用時，諸如溫度之類的環境變化會引起原子本身的變化，導致出現頻率誤差)。
據美國宇航局稱，深空原子鐘不會受到這種環境變化的影響，因此將比GPS衛星上使用的原子鐘穩定50倍。在週一發射升空之後，科學家們將能夠開始測試時鐘的精度。
該深空原子鐘將搭載位於佛羅里達州肯尼迪航天中心的SpaceX獵鷹重型火箭升空，與之一同發射的還有另外23個有效載荷。持續4小時的發射窗口將在美國東部時間晚上11：30(格林尼治時間6月25日0330)開始。
插圖顯示的是美國宇航局的深空原子鐘
用戶52639194104
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