离开地球大气层后，构成生活结构的计时系统就会瓦解。当你每90分钟绕地球轨道运行一周（在国际空间站的宇航员看来，这意味着在每24小时内看到16次日出和日落）时，“白天”和“黑夜”的含义将截然不同。
由于人体及其昼夜节律——由我们体内时钟调节的睡眠和清醒模式——是在地球上进化而来的，我们很难适应任何其他环境。在失衡的外星时间里，宇航员无法依靠黎明和黄昏来保持他们正常的日程安排，他们必须遵循严格的睡眠和工作时间表。任何偏离其自然周期都会迅速导致身心健康问题。
在太空中保持规律
有规律的例行公事可以使任务按计划进行，因此宇航员在太空中的生活几乎完全是预先计划好的。在国际空间站上的活动，从用餐到锻炼再到维护，都被安排成五分钟的增量。所有这一切都必须与家里的时钟完美同步。
“要做好你需要做的事情，”NASA喷气推进实验室的资深工程师 Todd Ely 说，“你需要能够在任何地方计时。”
宇航员使用精确的原子钟，与全球通用的时间标准——协调世界时（UTC）保持同步。
当然，爱因斯坦的相对论认为时间并不是普遍的：它在不同条件下以不同的速度流逝。如果一个人比另一个人移动得快，或者离一个大质量物体更近，那么他们的时间就会过得更慢。尽管这些相对论效应在我们的太阳系内（以及目前航天器的速度下）并不显著，但在我们 venturing 离开近地轨道时，这些效应仍然必须被纳入时间和轨迹的计算中。
“如果我们不考虑相对论，”Ely 说，“我们就得不到正确的答案。”
阅读更多：宇航员如何在太空中睡觉
太空中的计时问题
在靠近地球的地方，主要的困难在于适应一个缺乏熟悉时间线索的环境。然而，当你离地球越远，与任务控制中心的通信就变得越困难。
信息（以无线电波的形式）的传播速度不能超过光速，因此从休斯顿传来的消息到达近火星的航天器需要长达14分钟，更不用说太阳系更遥远的地方了。这种延迟给需要精确计时的任务带来了严峻的挑战。
我们日常生活中使用的时钟——其中大多数采用石英晶体——对我们来说已经足够，但对于宇航员来说却远远不够，因为它们不能持续地测量时间。即使是其中最好的时钟，也会相当快地漂移。
根据 NASA 的数据，仅六周后，石英时钟就可能偏离一毫秒。虽然这听起来不多，但累积起来可能导致巨大的导航误差。对于太空旅行，尤其是当宇航员开始 venturing 离开地球更远时，他们需要更高精度的下一步：原子钟。
原子钟
每个时钟都依赖于一种机制来保持稳定的时间——一个“钟摆”，可以是字面上的，也可以是象征性的。在石英钟中，这种机制是晶体，它以特定频率振动，并在受力时产生电流。
但由于制造误差和环境因素，晶体的性能会随着时间而下降。另一方面，原子则极其稳定。同一种元素的原子在吸收或释放能量时以相同的频率振动；它们实际上是完美的“钟摆”。
原子钟仍然包含石英晶体，但它们将晶体的振荡与更一致的原子进行比较。如果晶体的频率保持精确，它就会使原子跃迁到更高的能级，就像歌剧演员用正确的音调震碎酒杯一样。如果有一点偏差，就会向振荡器发送一束电流，作为调整频率的信号。
阅读更多：NASA 如何为火星宇航员应对孤立和其他极端情况做准备
深空导航
我们在精度至关重要的应用中使用原子钟。例如，全球定位系统（GPS）依靠它们来逐秒跟踪我们的位置。我们的手机接收来自卫星的信号，这些信号带有原子钟的时间戳，然后计算信号到达我们所需的时间。有了这些信息，我们的手机就可以精确定位我们在地球上的位置。
类似的原理也适用于远距离太空的导航。通过测量无线电波在航天器之间往返所需的时间，科学家可以计算出航天器与地球的距离。通过依次测量这些双向信号时间，它们还可以确定其速度和轨迹。将所有这些数据整合起来，就可以在几米内确定一颗火星轨道飞行器的位置。
Ely 表示，即使在 NASA 工作了二十多年，他“对此总是感到惊叹”。
阅读更多：为什么这6件物品不允许带入太空
太空中的新计时技术
自 2010 年代初以来，Ely 一直在设计下一代导航技术：深空原子钟——一种使用汞原子、比地面同类产品轻得多的极其稳定的设备。
DSAC 的运行效果非常好，以至于航天器可以仅凭来自地球的单向信号来计算其位置和速度，而无需等待半小时的往返通信延迟。这使得近乎实时的导航成为可能，这有助于进行高风险的操作，例如着陆到另一个星球或进入其轨道。
到目前为止，DSAC 仍处于实验测试阶段。但在 2019 年至 2020 年为期一年的试运行期间，该原型机的性能比目前的太空时钟要好一个数量级。它很快就可能成为默认配置，尤其是在宇航员开始 venturing 离开月球，前往火星，甚至更远的地方。
Ely 表示，没有极其精确的时钟，“我们将无法探索太阳系。我们将无法可靠地到达这些目的地。”
阅读更多：我们仍将前往月球的 4 个原因
文章来源
我们的Discovermagazine.com作家在文章中采用同行评审研究和高质量来源，我们的编辑会审阅科学准确性和编辑标准。请查看本文使用的以下来源
Military Medical Research. Keeping the right time in space: importance of circadian clock and sleep for physiology and performance of astronauts
Britannica. Coordinated Universal Time
Annals of Science. Pursuing frequency standards and control: the invention of quartz clock technologies
NASA. What Is an Atomic Clock?
Britannica. Atomic Clock
GPS.gov. GPS: The Global Positioning System
Nature. Demonstration of a trapped-ion atomic clock in space
