世界最精确的原子钟推动物理学的新前沿

Josiah02

人类不断追求完美，科学家开发出一种比以往任何时钟都更精确的原子钟。新时钟由 JILA 的研究人员制造，JILA 是美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和科罗拉多大学博尔德分校的联合机构。
这款时钟不仅能实现在广阔太空中的精确导航，还能用于寻找新粒子，是超越单纯计时的最新成果。凭借更高的精度，这些下一代计时器可以揭示隐藏的地下矿藏，并以前所未有的严谨性测试广义相对论等基本理论。
对于原子钟设计师来说，这不仅仅是为了建造更好的时钟；它还关乎解开宇宙的秘密，为塑造子孙后代世界的技术铺平道路。
全球科学界正在考虑基于这些下一代光学原子钟重新定义国际时间单位“秒” 。现有一代原子钟用微波照射原子来测量秒。这种新一代原子钟用频率更高的可见光波照射原子，以更精确地计算秒数。
与目前的微波钟相比，光学钟有望为国际计时提供更高的精度——每 300 亿年可能只会误差一秒。
但在这些原子钟能够达到如此高的精度之前，它们需要具有非常高的精度；换句话说，它们必须能够测量极其微小的秒数。同时实现高精度和高准确度可能会产生巨大的影响。
陷入时间
新的 JILA 原子钟使用一种被称为“光学晶格”的光网来同时捕获和测量数以万计的单个原子。拥有如此庞大的原子群在精度方面具有巨大优势。测量的​​原子越多，原子钟就能获得越多的数据，从而精确测量出秒数。
为了实现新的破纪录性能，与之前的光学晶格钟相比，JILA 研究人员使用了更浅、更柔和的激光“网”来捕获原子。这大大减少了两个主要误差源——捕获原子的激光的影响，以及原子挤得太紧时相互碰撞。
研究人员在一篇已被《物理评论快报》接受发表的论文中描述了他们的进展。这项研究成果目前可在arXiv预印本服务器上查阅。
在最小尺度上计时相对论
NIST 和 JILA 物理学家 Jun Ye 表示：“这款时钟非常精确，甚至可以在微观尺度上探测到广义相对论等理论所预测的微小效应。它正在突破计时的极限。”
广义相对论是爱因斯坦提出的理论，描述了引力是如何由空间和时间的扭曲引起的。广义相对论的一个关键预测是时间本身受到引力的影响——引力场越强，时间过得越慢。
这种新型时钟设计可以探测到亚毫米级（大约相当于一根头发丝的厚度）的相对论对计时的影响。将时钟升高或降低这么微小的距离，就足以让研究人员辨别出重力效应引起的时间流逝的微小变化。
这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力可以显著弥合微观量子领域与广义相对论描述的大尺度现象之间的差距。
探索太空和量子进步
更精确的原子钟还能使太空导航和探索更加精确。随着人类进一步探索太阳系，时钟需要在遥远的距离上保持精确的时间。即使是微小的计时误差也会导致导航误差，而随着旅行距离的增加，误差会成倍增加。
“如果我们想让航天器精确地着陆火星，我们需要比现在 GPS 时钟精确几个数量级的时钟，”叶说。“这款新时钟是实现这一目标的重要一步。”
捕获和控制原子的相同方法也可能带来量子计算方面的突破。量子计算机需要能够精确操纵单个原子或分子的内部特性才能进行计算。控制和测量微观量子系统的进展极大地推动了这一努力。
通过探索量子力学和广义相对论交叉的微观领域，研究人员正在打开一扇大门，以全新的方式理解现实本身的根本性质。从时间流因重力而扭曲的无限小尺度，到暗物质和暗能量占主导地位的广阔宇宙边界，这款时钟的精确度有望揭示宇宙中一些最深的奥秘。
“我们正在探索测量科学的前沿，”叶说。“当你能以这种精度测量事物时，你就会开始看到我们迄今为止只能理论化的现象。”