近日，欧洲航天局开启了的一项名为ACES的任务，它使用国际空间站上的原子钟来测试爱因斯坦的广义相对论，并探测基本物理常数。
用于该任务的原子钟，PHARAO和SHM，它们利用原子中的量子跃迁来实现前所未有的精度，并结合了短期稳定性和长期精度。
通过在全球范围内传输精确的时间信号，ACES可以建立一个用于实时时钟比较的全球网络，从而改进时间标准并支持“计时大地测量学”来测量引力势能的变化。
ACES计划验证或挑战广义相对论的某些方面，这会对GPS全球导航系统和未来的天基量子技术产生影响。
原子钟利用铯和氢等原子的量子跃迁后的原子振动来实现极高精度的计时。这种精度支持了全球定位、电信服务和基础物理测试等方面的创新。一个正在进行的应用是由欧洲航天局领导的太空原子钟集合（ACES）任务，该任务与空中客车防务与航天公司、Safran计时技术公司和其他公司合作联合开发，旨在将高性能原子钟放置在国际空间站（ISS）上。
该任务的目标是测试爱因斯坦的广义相对论，并以前所未有的方式探测基本物理常数。根据ACES研究团队在arXiv上最近发表的详细说明，该任务还涉及测试一系列基于量子技术的仪器，以重新定义全球时间的测量和同步方式。
ACES任务中的两个代表性时钟是PHARAO（轨道原子冷却原子钟项目）和SHM（空间氢激量振荡器）。PHARAO 使用激光冷却的铯原子来实现长期频率稳定性，而SHM则用作有源振荡器，提供高度稳定的参考频率。这两个时钟协同工作，以产生具有无与伦比精度的时间信号。
研究人员称，PHARAO和SHM提供了兼具 SHM 短期稳定性和PHARAO 长期精度的时钟信号，使ACES系统能够保持 1× 10?1? 级别的频率稳定性——这种精度水平使得即使是最小的偏差也能被测量出来。
整个实验的其中一个目的是在全球范围内分发这种超精确的时间信号，即通过微波链路将信号从国际空间站（ISS）传输到各个地面站，该任务可以建立一个用于实时时钟比较的全球网络。这些比较可用于改进时间标准以及“计时大地测量”——该过程允许研究人员测量不同位置之间引力势能的微小差异。正如 ACES 团队所解释的那样，这些测量能够精确监测地球的引力场，这有助于我们对星球结构的重新认识，甚至通过暗物质对原子钟的微妙影响来探测暗物质。
爱因斯坦的广义相对论改变了我们理解引力的方式，其理论认为引力不仅仅是一种力，而是时空本身的扭曲，更像是一块在行星和恒星等超大质量物体的重量下伸展和弯曲的柔性织物。这种扭曲作用的一个副产品是引力红移现象，即时间本身似乎在接近质量巨大物体时会越来越慢。这意味着，一个靠近地球的位置，也就是重力最强的地方的时钟，会比在太空中更远位置的时钟走得更慢。换句话说，引力大小和时间快慢是密切相关的。
ACES任务将这一概念超越理论，提供了一个难得的机会，可以在现实世界中以非凡的精度观察引力红移。安装在国际空间站上的ACES时钟将比较太空和地球之间的时间信号，以检测由引力引起的最微小的变化。根据研究团队的说法，ACES计划实现比以往实验更高的精度，这种精度水平不仅可以让科学家验证爱因斯坦的预测，还可以探索我们对引力的理解是否经得起这推敲——或者是否能够经得起时间的真实考验。
如果ACES发现了与现有理论偏离的结果，那么它可能会带来新的理论见解，并可能改变我们对基础物理学的理解。另一方面，如果任务验证了广义相对论，那么所实现的高精度将支持依赖于精确计时的技术，如GPS全球导航系统。
如此精确地测量时间的能力在各个科学领域都有深远的影响。从为新物理学奠定基础到增强我们对引力场的理解，ACES任务有望同时影响理论和应用科学。除了纯粹的研究之外，该任务的原子钟网络还具有推动大地测量学进步的潜力，有助于改进地球观测技术以及我们对气候和地质演化过程的理解。
然而，ACES 任务也面临着重大的技术挑战。首先是来自板载激光冷却铯钟、PHARAO和SHM的复杂操作。研究团队表示，在空间环境中达到所需的稳定性和精度水平需要进行广泛的测试和校准，以克服原子碰撞和腔相位偏移等问题。其次是通过微波链路进行空对地数据传输过程中信号衰减和噪声干扰的问题亟待解决，以保持远距离通讯过程中的状态同步和数据完整性。
另一个挑战是需要精确的环境控制以保持PHARAO时钟的准确性，因为即使是极小的温度波动也会影响产生其计时的原子跃迁。为了解决这些问题，该任务包括多个伺服回路系统，以在短期和长期时间尺度上稳定时钟。这些系统虽然有效，但增加了有效载荷操作的复杂性。
无论如何最终时间会证明一切。随着ACES进入运营阶段，这项任务有望推进全球计时的精准化，并为未来的天基量子技术实验树立榜样。
参与该研究的作者包括 L. Cacciapuoti、A. Busso、R. Jansen、S.Pataraia、T. Peignier、S.Weinberg、P. Crescence、A. Helm、J. Kehrer、S. Koller、R.Lachaud、T.Niedermaier、F.-X.Esnault， D. Massonnet， D. Goujon， J. Pittet， A. Perri， Q. Wang， S. Liu， W.Schaefer， T. Schwall， I.Prochazka， A. Schlicht， U.Schreiber， P. Laurent， M.Lilley， P. Wolf， 和 C. Salomon.
