3亿年误差不到1秒！科学家开发太空原子钟，统一全球测绘标准

2003 年，德国和瑞士的工程师们开始从两岸同时建造一座横跨莱茵河的桥梁。施工数月后，他们发现两岸桥梁未能对接——德国一侧的桥比瑞士一侧高出 54 厘米。这种偏差源于两国工程师采用了不同的海拔基准：德国团队以北海的历史海平面为海拔零点进行测量，而瑞士团队使用的地中海海平面基准比北海低 27 厘米。

尽管人们日常习惯用“海平面”来描述海拔，但地球上的海洋实际上并非水平。“海平面因地而异。”德国慕尼黑工业大学的大地测量学家 Laura Sanchez 解释道。

两队都知晓 27 厘米的基准差异，却弄反了哪边更高。最终，德国一侧降低桥面高度才完成了桥梁的建造。

为避免此类代价高昂的工程建设失误，2015 年国际大地测量协会的科学家们投票通过了《国际高程参考框架》（IHRF），将其作为全球统一的海拔测量标准。

如今，在该标准启用十年之际，大地测量学家正计划借助有史以来最精确的太空原子钟来升级这一基准体系。

这个名为 “空间原子钟组计划”（Atomic Clock Ensemble in Space，简称 ACES）的装置上月从佛罗里达州发射升空，前往国际空间站。该设备由欧洲航天局研制，ACES 包含两台联动原子钟：一台以铯原子为基准，另一台以氢原子为基准，两者协同工作产生的计时精度远超单一原子钟。

普通摆钟每日误差约 1 秒，因其摆动频率会受湿度、温度甚至积尘影响。当前 GPS 卫星搭载的原子钟平均每 3000 年才会累积 1 秒误差，而 ACES“在 3 亿年内都不会产生 1 秒偏差”，参与设备研发与发射的欧洲航天局物理学家 Luigi Cacciapuoti 介绍道。

在太空中，ACES 将与地球上最精准的原子钟联动，构建一个同步时钟网络，其核心使命是支持基础物理实验。但对大地测量学家而言，该设备的特殊价值在于能进行重力场测量，帮助确立更精确的全球海拔测量基准零点。

“基准零点”的统一对国际合作至关重要。例如，它能更便捷地监测和比较全球海平面变化，对水坝、运河等水利基础设施建设尤为实用。2023 年，国际高程标准甚至解决了中尼两国长期存在的珠峰高度争议：中国此前测得海拔为 8844.43 米，尼泊尔则认定为 8848 米，而基于 IHRF 框架，两国最终达成共识——珠峰海拔为 8848.86 米。

为了创建统一的高程基准零点，大地测量学家构建了一个名为 “大地水准面” 的地球物理模型。这个形似不规则马铃薯的模型表面各点重力值相同，这意味着若沿该基准面开凿运河，水面将完全静止不流动。地表各点与这一基准面的垂直距离，就构成了全球统一的高程体系。

然而，Sanchez 指出，当前的模型缺乏精度，尤其是在非洲和南美洲地区。现有的大地水准面主要通过卫星搭载的重力仪构建。虽然能获取全球数据但分辨率有限，更精细的测量则需依赖昂贵的地面和航空重力勘探。由于资金限制，亚马逊雨林、撒哈拉沙漠等复杂地形区域的勘测密度远低于其他地区。

这种精度差异会造成严重后果：假设建造一座横跨非洲（从地中海沿岸至南非开普敦）的大桥，按现有模型施工，桥体两端高程偏差可达数十厘米；而同等跨度的北美大桥误差最多不超过五厘米。

为了提高精度，大地测量学家希望创建一个由太空同步的全球时钟网络。这一设想基于爱因斯坦的广义相对论——引力场越强，时间流逝越慢。2014 年的科幻电影《星际穿越》就展示了极端版本的时间膨胀效应：两名宇航员在黑洞附近的强引力场中停留几小时后，回到飞船时发现留守同伴已衰老了二十多年。

通过比对全球原子钟的计时差异，科学家能以前所未有的精度绘制地球重力场图，进而建立更精确的大地水准面模型。现代最精密原子钟的灵敏度，足以探测相当于厘米级高程差异的时间波动。

德国汉诺威莱布尼茨大学的大地测量学家 Jürgen Müller 表示：“我们希望将精度提升至厘米乃至亚厘米级别。”具体而言，科学家计划用原子钟网络验证现有大地水准面模型——这项任务目前依赖造价高昂的地面和航空测量技术，而新方法的成本预计将大幅降低。

ACES 系统只是第一步。Cacciapuoti 指出，其当前可实现全球多点高程测量的 10 厘米级精度，但核心使命是为原子钟网络建设提供技术验证。该系统将测试连接太空钟与地面尖端原子钟所需的光学及微波技术。Müller 团队计划在未来一年内，率先将德国境内的三台地面原子钟接入该系统，进而获取这些点位更精确的测量数据。

这些研究将为接入比 ACES 更精密的原子钟铺平道路，最终推动大地水准面模型升级。当今最先进原子钟的精度已达 ACES 的 50 倍。“令人振奋的是原子钟稳定性仍在持续提升，”未参与该项目的俄亥俄州立大学 Michael Bevis 教授指出。他举例说明，更精确的大地水准面能让工程师更精准控制运河深度与水流，但强调科学家还需同步改进地球重力场的数学模型，才能充分发挥原子钟的精度优势。

建设该网络凝聚了科学家数十年的心血。Cacciapuoti 透露，欧洲航天局耗时三十年才研制出 ACES 这样适合太空环境的紧凑型原子钟。

大地测量学家预计至少还需十年完善钟组网络并发射更多太空原子钟。潜在方案包括将原子钟集成至 GPS 卫星，但 Sanchez 表示具体时间表取决于 ACES 任务成效及政府机构的投资意愿。无论如何，测绘地球从来都是场与时间的漫长赛跑。

原文链接：

https://www.technologyreview.com/2025/05/22/1117294/a-new-atomic-clock-in-space-could-help-us-measure-elevations-on-earth/