原子钟：国防领域的“时间之刃”

　　原子钟：国防领域的“时间之刃”

　　■凌 晨 贾瑞君 刘雪涛　　

　　原子钟让人类可以更加精准地观测时间。资料图片

　　今年初，英国国防部表示，英国国防科学技术实验室正在开发该国首个量子钟(即用量子技术实现的原子钟)，以增强军事情报收集和监视能力。

　　原子钟从实验室走向战场，标志着时间精度已成为现代科技与国防的重要竞争力。从导弹精确制导到卫星组网，从电子对抗到无人作战，原子钟以其“千万年误差不足一秒”的极致精度，成为大国科技博弈的重要内容。

　　原子钟如何“以时制胜”?围绕原子钟的竞争又如何在世界上掀起波澜?请看本期解读。

　　把握时间脉搏

　　人们常用“刹那”形容时间稍纵即逝。将古人的定义进行换算，一刹那约为0.018秒。一昼夜约有1.2万个弹指、24万个瞬间、480万个刹那。这种超越感知与能力的时间定义，是古人对“时间观测”朴素、原始而又浪漫的想象。这同时激发了人类对时间标准的理性思考与科学探索。

　　历史上，时间单位“秒”曾被定义为地球自转一周所用时间(太阳日)的1/86400。随着科学技术的发展，科学家发现地球自转并不稳定，太阳日在一年中并非完全相同。于是在1956年，基于地球公转规律，国际单位制“秒”被修改为地球公转一周时间的1/31556925.9747。这一定义在1960年第11届国际计量大会上批准通过。然而，地球自转不稳定所引起的时间测量误差，并未被地球公转所克服，同时地球公转还存在难以复现的问题。

　　想要更精准地观测时间，离不开原子物理与量子力学的发展。

　　原子是构成物质的基本单位，其结构可以分为原子核和核外电子。核外电子围绕原子核运动，并遵循着量子力学规律，分布在不同的电子轨道。想象一下，原子的内部有很多不同的“台阶”，电子可以在台阶之间相互跳跃，这种跳跃被称为量子能级跃迁。当跃迁发生时，电子从一个台阶跳到另一个台阶，如同宏观世界的钟摆，发出稳定的“嘀嗒”声，辐射出频率极其稳定的电磁波。

　　不同种类原子具有独有的振荡频率，当原子处于这一频率的电磁辐射下，原子内部绕轨道运行的电子将发生量子能级跃迁。基于这一量子现象所设计的原子钟，可以通过测量能级跃迁所发出的电磁波定义时间。

　　20世纪40年代末，美国国家标准局成功研制氨分子钟。1955年，英国国家物理实验室研制出全球首台铯原子钟，标志着人类正式进入原子钟时代。与传统基于天文现象的时间测量方法相比，原子钟不会因为地理位置或时间的变化而发生改变，表现出更好的一致性和稳定性。

　　1967年，第13届国际计量大会采用原子时间来定义“秒”，即在无外界干扰的条件下，铯原子133同位素基态的两个超精细能级间跃迁周期的9192631770倍。直到现在，“秒”的定义仍由更为先进的铯原子喷泉钟保持。

　　制胜现代战场

　　时间精密测量是武器装备现代化效能提升的基石。作为核心支撑，原子钟具有极高的测时精度，能够显著提升武器装备的协同性、精准性和自主性，具有重要战略作用。如今，原子钟已广泛应用于军舰、飞机和导弹等装备，成为武器装备现代化进程中不可或缺的“时间心脏”。

　　——导航定位与精确打击。传统弹道导弹的导航系统高度依赖惯性导航与卫星定位信号。在战争环境中，卫星信号很容易遇到电子干扰、信号丢失或欺骗攻击等情况，导致弹道导弹的精准性和稳定性受到影响。例如，最快的洲际导弹飞行速度可达8800米/秒，当全球定位系统信号受干扰时，即使只有0.3秒的偏差，其打击精度也会偏离目标约3千米。原子钟的引入为导弹提供了超高精度的自我时间同步能力，即使在全球定位系统不可用的情况下，导弹也能实现精确导航与定位。

　　美国的GPS卫星导航系统采用铯原子钟与铷原子钟结合的方式，性能稳定且精度很高。俄罗斯从20世纪80年代的格洛纳斯卫星导航系统起步，早期搭载铯原子钟，如今已迈向氢原子钟时代，其GLONASS-K2系列卫星的氢原子钟稳定性达1×10-14/天。欧盟的伽利略系统则以铷原子钟和被动型氢原子钟为主，追求更高精度与可靠性。原子钟技术的发展不仅推动了各国卫星导航系统的升级，也为精确制导提供了坚实的时间基准，彰显出原子钟在现代军事应用领域的关键支撑作用。

　　——高精度时间同步。大战前夕，为方便统一行动，军人们总会提前对表，校正时间。在现代战争中，原子钟已经取代了基于机械表的时间同步仪式，让战争机器的齿轮在分秒不差中运转。尤其是在军用通信数据传输中，原子钟可以提供超高精度的时间同步，极大提高军用通信系统的可靠性和安全性。美国的“军事星”卫星通信系统就搭载了高精度原子钟，为军事通信提供着可靠的时间基准。

　　原子钟凭借其卓越的高精度时间同步性能，在军事领域的应用延伸至多个方面，应用范围涵盖电子对抗、网络安全以及导弹防御等多个关键领域。在电子对抗领域，原子钟的高精度时间同步能力可显著提升干扰与抗干扰的效能;在网络安全领域，原子钟能为加密通信提供更为可靠的时间基准;在导弹防御领域，原子钟可以有效提高预警系统的响应速度和精确度。原子钟正逐渐成为现代武器系统中不可或缺的核心组件，为各类作战平台提供至关重要的时间支持。

　　——原子钟小型化和便携化有望进入战术应用。高精度且可搬运的原子钟以及小型化甚至芯片级的原子钟装备，可以提供可靠而稳定的时间来源，确保在各种复杂环境中都能精确授时。进入21世纪，随着芯片级原子钟的问世，导弹制导精度大幅提升。美国国家标准与技术研究院利用原子的相干布局囚禁原理研制的CPT原子钟甚至比一粒米还小，能够部署于卫星、导弹、战舰等多种平台，极大提高武器的定位精度。如今，军用原子钟正沿着更高精度、更小体积、更低功耗的研究方向快速发展。

　　2022年，美国新研制的舰载光钟，突破了高精度光钟对整体尺寸、复杂海洋环境敏感性等关键难题，并在太平洋海军舰艇上连续工作20天。其性能可与实验室级的铯原子钟相媲美，显示出巨大的军事应用潜力。

　　博弈时间主权

　　面对原子钟的巨大军事潜力，世界主要军事强国纷纷加大投入。

　　美国国防高级研究计划局(DARPA)正在开发新一代原子钟，计划将其集成到军事系统中。这种新型原子钟不仅精度高，而且体积小、重量轻，可以部署在战斗机、潜艇等作战平台上。2022年，DARPA发布了强韧光学时钟网络计划，研发可在实验室外运行的低尺寸、低重量、低功率的光学原子钟，精度和保持率方面超过目前最先进的原子钟。

　　欧洲各国则采取联合研发的策略，均取得了不错的成果。2022年6月，法国国防采购机构宣布开发新一代超小型高性能原子钟，以维护法国导航定位、精确制导和加密军事通信等方面的技术主权。2025年1月，英国国防部宣布其国防科学技术实验室正利用量子技术研制“革命性”原子钟以增强军事行动的安全性，其时间测量误差在数十亿年内仅为1秒。2025年1月17日，据国际顶级期刊《物理评论快报》报道，德国国家计量机构在光学原子钟领域取得重大突破，开发新型离子晶体光学原子钟，不确定度可达小数点后18位以上，创下新的世界纪录。

　　为追赶国际先进水平，俄罗斯同样不甘示弱。俄罗斯正在研制新型原子钟，以提高其格洛纳斯导航系统的定位精度。俄罗斯还在探索将原子钟应用于导弹预警系统，以提高预警速度和精度。

　　从导弹飞行轨迹的精准校正到卫星组网的时间协同，原子钟以“纳秒之精”成就“千里之准”，已成为现代军事技术的重要支撑和国家安全的重要保障。可以预见，随着原子钟技术的不断进步，其在军事领域的应用将更加广泛，对现代战争的影响也将更加深远。