10月31日15時(shí)37分，長(zhǎng)征五號(hào)B遙四運(yùn)載火箭托舉夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙升空。11月1日凌晨，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙組合體在數(shù)百公里外的太空成功對(duì)接。后續(xù)，將按計(jì)劃實(shí)施夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位。屆時(shí)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙將與天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙形成空間站“T”字基本構(gòu)型組合體。

(資料圖)

此次發(fā)射的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的意義尤為重要，它使得中國(guó)未來能夠向太空運(yùn)輸最先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。此次與夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙一同送入太空的世界首個(gè)高性能“光原子鐘”（也稱原子鐘、光鐘）就備受關(guān)注，光鐘用于更精確地測(cè)量時(shí)間，而中國(guó)也有望建成世界上在軌運(yùn)行的精度最高的空間時(shí)間頻率系統(tǒng)。

首個(gè)光鐘系統(tǒng)進(jìn)入太空

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙作為“工作室”，是三艙中支持載荷能力最強(qiáng)的艙段，被譽(yù)為空間實(shí)驗(yàn)“夢(mèng)工場(chǎng)”。

據(jù)新華社報(bào)道，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)配置有13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜工位。此外，為了最大化實(shí)現(xiàn)艙外實(shí)（試）驗(yàn)支持能力，艙外配置有37個(gè)載荷安裝工位，可為各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷提供機(jī)、電、熱、信息方面的能力支持，確保它們?cè)谔窄h(huán)境下開展各類實(shí)（試）驗(yàn)。

載荷艙還配置有2個(gè)展開式暴露平臺(tái)和1個(gè)固定式暴露平臺(tái)，為載荷在軌工作提供機(jī)械接口，最大限度地拓展對(duì)載荷的支持能力。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心研究員、我國(guó)載人空間站高精度時(shí)頻柜副主任設(shè)計(jì)師常宏對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“此次發(fā)射的高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜是空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜，由兩個(gè)艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和4臺(tái)艙外設(shè)備組成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭載了由國(guó)家授時(shí)中心、上海技物所、杭州高研院、國(guó)防科大共同研制的鍶原子光鐘，這在全球范圍內(nèi)也是首次。”

常宏告訴第一財(cái)經(jīng)記者，原子鐘的實(shí)驗(yàn)都是在驗(yàn)證“小數(shù)點(diǎn)后好幾位”，這是世界上最精密的量子測(cè)量?jī)x器。他介紹道，最新發(fā)射到空間站的高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜能夠讓一些原本只能在地面實(shí)驗(yàn)室演示的工作，在技術(shù)上和應(yīng)用場(chǎng)景上更加成熟，為不久的將來光學(xué)原子鐘全面走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

常宏向第一財(cái)經(jīng)記者介紹稱，此次發(fā)射的高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜主要通過科研人員在地面上發(fā)遙控指令，幾乎不需要航天員的操作。他還稱，一些演示性和驗(yàn)證性的試驗(yàn)?zāi)軌蜉^快地開展，另外一些重要的基礎(chǔ)前沿研究，可能會(huì)貫穿空間站的全壽命周期，例如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否隨時(shí)間變化的驗(yàn)證。

光學(xué)原子鐘作為時(shí)間頻率的精密測(cè)量平臺(tái)，通常稱為“量子頻標(biāo)”，是量子科學(xué)最早的實(shí)際技術(shù)應(yīng)用之一。常宏對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，中國(guó)在2018年，由上海光機(jī)所的劉亮團(tuán)隊(duì)首次把冷原子銣微波鐘發(fā)射到太空，開創(chuàng)了冷原子鐘的空間應(yīng)用時(shí)代，更早的時(shí)候，中國(guó)的北斗衛(wèi)星上就使用了我國(guó)國(guó)產(chǎn)的星載微波原子鐘，但是這次最新發(fā)射的高精度時(shí)頻柜的意義大為不同。

“現(xiàn)在的精度至少提高了5個(gè)量級(jí)，也就是提升了10萬(wàn)倍以上，可以說是世界上發(fā)射到太空的測(cè)量精度最高的量子精密測(cè)量?jī)x器。”他告訴第一財(cái)經(jīng)記者。

常宏表示，長(zhǎng)期以來，在頻標(biāo)技術(shù)方面，我國(guó)與國(guó)際最先進(jìn)的技術(shù)有較大的差距。“這也是為何我們國(guó)家早期沒有建立起自己的導(dǎo)航系統(tǒng)的原因之一，因?yàn)樵隅娛菍?dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，而我們直到近二十年來才發(fā)展起來國(guó)產(chǎn)的高性能原子鐘。”他告訴第一財(cái)經(jīng)記者。

我國(guó)首臺(tái)原子鐘的研制者、北京大學(xué)王義遒教授曾表示：“我國(guó)鼓勵(lì)知識(shí)創(chuàng)新、鼓勵(lì)科技創(chuàng)新，就要有選擇地鼓勵(lì)能提高生產(chǎn)知識(shí)和科技生產(chǎn)力的基礎(chǔ)研究，鼓勵(lì)能體現(xiàn)人的科技能力的基礎(chǔ)研究，以追求提高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度為不竭動(dòng)力的量子頻標(biāo)研究就是一個(gè)極好的課題。因?yàn)樵谶@種追求的過程中，人們不僅將實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)和技術(shù)的能力，而且將會(huì)誕生許多有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的科技碩果。”

解決“從地到天”工程問題

在高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜發(fā)射之后，“光鐘”能力的展現(xiàn)才剛剛開始。“我們首先要給系統(tǒng)供電，然后測(cè)試每一個(gè)單機(jī)的系統(tǒng)功能和指標(biāo)，等功能正常發(fā)揮之后再開始有針對(duì)性地提升性能。”常宏對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，“就好像先要讓汽車跑起來，然后再去看它能跑得多快。”

常宏帶領(lǐng)的國(guó)家授時(shí)中心研制出空間光鐘的過程中，如何把這一平臺(tái)從地面搬到天上，涉及許多航天技術(shù)物理方面的問題。上海技術(shù)物理研究所的工程總體團(tuán)隊(duì)幫助國(guó)家授時(shí)中心實(shí)現(xiàn)了“從地到天”的遷移。

上海技術(shù)物理研究所研究員、時(shí)頻系統(tǒng)副指揮舒嶸對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“高精度時(shí)頻柜發(fā)射到天上去，它的環(huán)境和溫度等物理?xiàng)l件都會(huì)發(fā)生變化波動(dòng)，這和在地面實(shí)驗(yàn)室的恒溫條件是不同的，涉及熱、力平衡方面的問題，以及工藝和材料方面的選擇，這些技術(shù)難題很多是我們給予指導(dǎo)幫助解決的。”

舒嶸團(tuán)隊(duì)曾與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在“墨子號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星方面進(jìn)行合作，擁有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，包括通過篩選及工藝驗(yàn)證，使得模塊可搬運(yùn)，并在極端條件下保持模塊的穩(wěn)定性。

“不像我們?cè)谀犹?hào)里面直接與科學(xué)家一起進(jìn)行產(chǎn)品研制為主，這次高精度時(shí)頻柜更主要是做好工程管理工作，我們?cè)诓坏絻赡臧氲臅r(shí)間內(nèi)與任務(wù)總體單位授時(shí)中心一起帶領(lǐng)十余家單位共同完成了這項(xiàng)工程，其間還是克服了不少挑戰(zhàn)。”舒嶸對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，“時(shí)頻柜的發(fā)射成功只是一個(gè)開端，接下來我們的挑戰(zhàn)才真正開始。”

他還介紹稱，高精度時(shí)頻柜后續(xù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)與“墨子號(hào)”衛(wèi)星也有相似之處，涉及天地一體化試驗(yàn)。

就在10月5日，潘建偉團(tuán)隊(duì)與上海技術(shù)物理研究所、中科院國(guó)家授時(shí)中心等單位合作，通過發(fā)展大功率低噪聲光梳、高靈敏度高精度線性采樣、高穩(wěn)定高效率光傳輸?shù)燃夹g(shù)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)（相距113公里）的自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，時(shí)間傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)，頻率傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭承志研究員告訴第一財(cái)經(jīng)記者：“此次實(shí)驗(yàn)提高了時(shí)間頻率的比對(duì)精度，高精度的時(shí)間頻率比對(duì)是很多物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，未來五到十年，我們爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)星地時(shí)間頻率比對(duì)。”

時(shí)間的精確測(cè)量可以讓人們的生活更便利。例如，衛(wèi)星的導(dǎo)航精度與計(jì)時(shí)精度緊密相關(guān)，人們的生活早已離不開導(dǎo)航和定位，要想定位更準(zhǔn)確，比如精確到米以下，就需要更好的計(jì)時(shí)精度。

常宏告訴第一財(cái)經(jīng)記者：“高技術(shù)的平臺(tái)支持下，如果我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)都能夠完全達(dá)到預(yù)期，那么這些前沿基礎(chǔ)研究就不僅僅是技術(shù)能力的提升，而且未來也具有重大應(yīng)用意義，能夠帶動(dòng)電子技術(shù)、激光技術(shù)、制造業(yè)、精密加工和材料等領(lǐng)域的發(fā)展。”

他還表示，要實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，未來光鐘一定要滿足精度高、易便攜、小型化等。“現(xiàn)在的光鐘還在實(shí)驗(yàn)階段，成本太高了，未來要全面應(yīng)用普及，就必須成本可承擔(dān)，在產(chǎn)業(yè)鏈方面我們還需要完善。”

標(biāo)簽： 夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙 中國(guó)空間站 量子科學(xué)