（來源：MIT Technology Review）

2003 年，德國和瑞士的工程師們開始從兩岸同時建造一座橫跨萊茵河的橋梁。施工數月后，他們發現兩岸橋梁未能對接——德國一側的橋比瑞士一側高出 54 厘米。這種偏差源于兩國工程師采用了不同的海拔基準：德國團隊以北海的歷史海平面為海拔零點進行測量，而瑞士團隊使用的地中海海平面基準比北海低 27 厘米。

盡管人們日常習慣用“海平面”來描述海拔，但地球上的海洋實際上并非水平。“海平面因地而異。”德國慕尼黑工業大學的大地測量學家 Laura Sanchez 解釋道。

兩隊都知曉 27 厘米的基準差異，卻弄反了哪邊更高。最終，德國一側降低橋面高度才完成了橋梁的建造。

為避免此類代價高昂的工程建設失誤，2015 年國際大地測量協會的科學家們投票通過了《國際高程參考框架》（IHRF），將其作為全球統一的海拔測量標準。

如今，在該標準啟用十年之際，大地測量學家正計劃借助有史以來最精確的太空原子鐘來升級這一基準體系。

這個名為 “空間原子鐘組計劃”（Atomic Clock Ensemble in Space，簡稱 ACES）的裝置上月從佛羅里達州發射升空，前往國際空間站。該設備由歐洲航天局研制，ACES 包含兩臺聯動原子鐘：一臺以銫原子為基準，另一臺以氫原子為基準，兩者協同工作產生的計時精度遠超單一原子鐘。

普通擺鐘每日誤差約 1 秒，因其擺動頻率會受濕度、溫度甚至積塵影響。當前 GPS 衛星搭載的原子鐘平均每 3000 年才會累積 1 秒誤差，而 ACES“在 3 億年內都不會產生 1 秒偏差”，參與設備研發與發射的歐洲航天局物理學家 Luigi Cacciapuoti 介紹道。

在太空中，ACES 將與地球上最精準的原子鐘聯動，構建一個同步時鐘網絡，其核心使命是支持基礎物理實驗。但對大地測量學家而言，該設備的特殊價值在于能進行重力場測量，幫助確立更精確的全球海拔測量基準零點。

“基準零點”的統一對國際合作至關重要。例如，它能更便捷地監測和比較全球海平面變化，對水壩、運河等水利基礎設施建設尤為實用。2020 年，國際高程標準甚至解決了中尼兩國長期存在的珠峰高度爭議：中國此前測得海拔為 8844.43 米，尼泊爾則認定為 8848 米，而基于 IHRF 框架，兩國最終達成共識——珠峰海拔為 8848.86 米。

圖 | 對 ACES 進行測試（來源：MIT Technology Review）

為了創建統一的高程基準零點，大地測量學家構建了一個名為 “大地水準面” 的地球物理模型。這個形似不規則馬鈴薯的模型表面各點重力值相同，這意味著若沿該基準面開鑿運河，水面將完全靜止不流動。地表各點與這一基準面的垂直距離，就構成了全球統一的高程體系。

然而，Sanchez 指出，當前的模型缺乏精度，尤其是在非洲和南美洲地區。現有的大地水準面主要通過衛星搭載的重力儀構建。雖然能獲取全球數據但分辨率有限，更精細的測量則需依賴昂貴的地面和航空重力勘探。由于資金限制，亞馬遜雨林、撒哈拉沙漠等復雜地形區域的勘測密度遠低于其他地區。

這種精度差異會造成嚴重后果：假設建造一座橫跨非洲（從地中海沿岸至南非開普敦）的大橋，按現有模型施工，橋體兩端高程偏差可達數十厘米；而同等跨度的北美大橋誤差最多不超過五厘米。

為了提高精度，大地測量學家希望創建一個由太空同步的全球時鐘網絡。這一設想基于愛因斯坦的廣義相對論——引力場越強，時間流逝越慢。2014 年的科幻電影《星際穿越》就展示了極端版本的時間膨脹效應：兩名宇航員在黑洞附近的強引力場中停留幾小時后，回到飛船時發現留守同伴已衰老了二十多年。

通過比對全球原子鐘的計時差異，科學家能以前所未有的精度繪制地球重力場圖，進而建立更精確的大地水準面模型。現代最精密原子鐘的靈敏度，足以探測相當于厘米級高程差異的時間波動。

德國漢諾威萊布尼茨大學的大地測量學家 Jürgen Müller 表示：“我們希望將精度提升至厘米乃至亞厘米級別。”具體而言，科學家計劃用原子鐘網絡驗證現有大地水準面模型——這項任務目前依賴造價高昂的地面和航空測量技術，而新方法的成本預計將大幅降低。

ACES 系統只是第一步。Cacciapuoti 指出，其當前可實現全球多點高程測量的 10 厘米級精度，但核心使命是為原子鐘網絡建設提供技術驗證。該系統將測試連接太空鐘與地面尖端原子鐘所需的光學及微波技術。Müller 團隊計劃在未來一年內，率先將德國境內的三臺地面原子鐘接入該系統，進而獲取這些點位更精確的測量數據。

這些研究將為接入比 ACES 更精密的原子鐘鋪平道路，最終推動大地水準面模型升級。當今最先進原子鐘的精度已達 ACES 的 50 倍。“令人振奮的是原子鐘穩定性仍在持續提升，”未參與該項目的俄亥俄州立大學 Michael Bevis 教授指出。他舉例說明，更精確的大地水準面能讓工程師更精準控制運河深度與水流，但強調科學家還需同步改進地球重力場的數學模型，才能充分發揮原子鐘的精度優勢。

建設該網絡凝聚了科學家數十年的心血。Cacciapuoti 透露，歐洲航天局耗時三十年才研制出 ACES 這樣適合太空環境的緊湊型原子鐘。

大地測量學家預計至少還需十年完善鐘組網絡并發射更多太空原子鐘。潛在方案包括將原子鐘集成至 GPS 衛星，但 Sanchez 表示具體時間表取決于 ACES 任務成效及政府機構的投資意愿。無論如何，測繪地球從來都是場與時間的漫長賽跑。

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