新太空原子钟任务为全球标准化测高系统铺平道路
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莱茵河两岸修建一座桥梁，但几个月后却发现两侧并未对齐：德国一侧比瑞士一侧高出54厘米。原因在于，两国分别以北海与地中海的平均海平面作为测量基准，而这两者间存在27厘米的差异。虽然工程人员知晓该差值，却误判了哪一侧更高，最终德国不得不降低桥面以实现对接。这一事件凸显了全球高程标准化的迫切性。
为避免类似错误，国际大地测量协会于2015年正式采用了国际高程参考框架（IHRF），作为全球统一的高程标准，堪称纬度与经度在垂直方向上的“第三维度”。来自德国慕尼黑工业大学的大地测量学家劳拉·桑切斯（Laura Sanchez）参与了这一标准化工作。如今，十年之后，科学家们希望借助目前最精确的太空原子钟——“太空原子钟组件”（ACES）对该标准进行升级。
ACES于上月从佛罗里达发射升空，前往国际空间站。它由两个原子钟组成，一个基于铯原子，另一个基于氢原子，通过结合这两种技术，ACES得以产生比单独原子钟更高精度的时间信号。相较之下，钟摆钟每日可有一秒误差，GPS卫星上的原子钟每三千年误差一秒，而ACES在三亿年内都不会产生一秒的误差。据ESA物理学家、ACES建设者路易吉·卡乔普提（Luigi Cacciapuoti）介绍，2022年中国也曾在其空间站部署了一个潜在更稳定的原子钟，但其性能尚未公开披露。
ACES的核心任务是开展基础物理实验，但对大地测量学界而言，其最具吸引力的用途在于可用于进行精密的重力测量，从而为全球高程测量提供更准确的“零点”参考。这个“零点”指的是用于丈量高程的起始基准点，其一致性对国际合作至关重要，例如用于全球海平面变动监测、水利工程建设等场景。2020年，中国与尼泊尔之间对珠穆朗玛峰高度的长期争议，便是借助IHRF达成共识，双方最终一致认定峰高为8,848.86米。
为构建这一统一“零点”，科学家们需建立地球重力模型，即地球“大地水准面”（geoid），这一“土豆形”的模型中每一点的重力值相等，意味着若在该高度开凿一条运河，水将保持平衡而不会流动。地表相对于这一模型的高度便构成全球高程系统。
然而，目前的大地水准面模型在非洲和南美等区域的精度仍不足。现有模型依赖卫星重力测量与地面、飞机调查，但受限于经费与地理环境（如亚马孙雨林和撒哈拉沙漠），这些地区的数据收集不够全面。以非洲为例，若修建一座从地中海至开普敦的跨大陆桥梁，误差可达数十厘米；而若是在北美洲建桥，则误差控制在五厘米以内。
为提升精度，科学家希望借助太空原子钟，建立一个全球同步的原子钟网络。这一设想基于爱因斯坦的广义相对论：重力越强，时间流逝越慢。电影《星际穿越》中，宇航员在强引力黑洞附近短暂停留却使队友老去数十年，便是“时间膨胀”的极端演绎。类似地，地球上的高程越高，重力越弱，时间走得也越快。一个人一生中，头部与脚部由于所受重力不同，其时间差可达数十亿分之一秒。
通过全球原子钟网络，科学家可以比对不同位置钟表的走时差异，据此绘制更精确的地球重力场图，从而改进大地水准面。当前最先进的原子钟足以测量对应厘米级高差的时间变化。德国汉诺威莱布尼茨大学的大地测量学家于尔根·穆勒（Jürgen Müller）表示，目标是实现厘米甚至亚厘米级别的测量精度。这一精度水平不仅可替代地面测量验证大地水准面，还可能大幅降低测量成本。
ACES只是第一步。它目前可在全球范围内提供约10厘米精度的高程测量，但其真正意义在于作为原型展示空间钟表与地面高精度原子钟连接的光学和微波技术。接下来一年，穆勒团队将尝试用ACES连接德国境内三座高精度地面钟表，开展局部测量试验。
未来，这些早期试验将为更高精度钟表加入网络奠定基础。当前最先进的地面原子钟比ACES的精度高出约50倍。美国俄亥俄州立大学的大地测量学家迈克尔·贝维斯（Michael Bevis）指出，更精准的大地水准面将使工程师在建设运河等基础设施时能更好控制水流与深度。但他同时强调，为充分利用高精度钟表，科学家还需在地球重力场的数学建模方面取得进一步进展。
建成这一钟表网络的道路并不平坦。ESA耗时三十年才将实验室级别的原子钟缩小至ACES这样适合发射的“冰箱大小”，卡乔普提称，这是一次“巨大的工程挑战”。目前，他已为这一项目奉献了整整二十年。
展望未来，科学界认为建立完整钟表网络并发射更多太空原子钟至少还需十年时间。一个可行方案是将钟表安装于GPS卫星中。最终进度还取决于ACES任务的成功与各国政府的资金投入意愿。桑切斯指出，尽管路径漫长，但要想精确绘制地球，时间投入是不可或缺的。