美研发新型原子钟 精度达一千万亿分之一秒

科学解码 2018-09-12 07:59:15

据外媒报道,美国科学家制造出了非常精确的原子钟,能够检测出其由于与地球中心的距离变化而产生的节拍速度的微小变化。

“时间与重力的关系错综复杂,”美国联合天体物理实验室的物理学家叶军(音)说。“这听起来像是科幻小说的情节,但这些测量是真实的。”


根据爱因斯坦的预言,在距离吸引物(如地球)中心越远的地方,时间流逝得越快。因此,我们可以利用一个超灵敏的时钟来确定海拔高度的微小差别。很早以前,研究人员通过比较两个距离甚远的时钟速度证明了这一理论。时钟的相对位置从海平面与山顶到相距几十英里的两个地球轨道卫星不等。


五年前,研究人员就在NIST制造了一个灵敏的时钟,能够检测出一英尺(约30厘米)高度变化的时间差。但新的时钟还要灵敏得多。“现在,即使是2厘米的变化也能反映在时钟上。”叶军说。


关于这一原子钟的论文已经发表在《自然》通信栏目。它是一种经过调整的光学晶格钟,原理是测量被捕获在激光网中的锶原子振荡。叶军作为论文中主要的研究者解释说,时钟测量到,锶原子电子每秒可绕原子核运动一千万亿次。为了计算这一运动,研究人员使用“时钟激光器”发射激光,一次轰击几千个锶原子。该激光经过调谐,其电场中的波峰和波谷可以与锶原子电子的震荡相匹配。


新的原子钟比目前国际上普遍采用的铯微波时钟要精准几个量级。“我们现在用的时钟就像是一只指针每秒移动90亿次的手表,”叶军说。“而我们制造出的这只‘手表’,指针每秒可以移动一千万亿次;我们就像在追踪光的波纹一样。”


在最新的光晶格时钟中,研究人员在捕获原子周围安装高度灵敏的温度计,能够更好地测量周围环境热效应的影响,从而降低了报时误差。他们还能够降低激光网对单个原子的影响,并使用了世界上最稳定的激光器之一来测量电子的运动。这些调整使得新原子钟比去年为止的世界纪录保持者精确三倍,稳定性也增加了50%。


制造一个如此精确的时钟似乎有些小题大做,但它可以改善我们对地球形状的认识,帮助制定时间和空间的基本法规,并为暗物质的探测提供了一个新的途径。时钟越精确,这些优势就越加凸显。“如果我们能制造一个精确1000倍的时钟,就可以聆听宇宙的交响乐了,”叶军说。“比如,当一个遥远的星系爆发时,你可以通过时钟感受到宇宙时间的震荡。”


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