每3000亿年误差一秒！世界上最精确的钟表问世

优胜周平老师

每3000亿年误差一秒！世界上最精确的钟表问世
       美国当地时间周三在《自然》杂志上发表的一项新研究结果，威斯康星大学麦迪逊分校研究人员开发出有史以来精度最高的原子钟之一，每3000亿年误差仅1秒钟，可进一步提高引力波、暗物质探测精度。

       原子钟的功能是利用激光来计算单个原子来回移动的时间。由于其精确性，原子钟被用来制定协调世界时间的标准，这是世界上调节时间本身的主要标准。原子钟也被用于科学的研究目的，如美国宇航局（NASA）的深空原子钟实验。

       在这个实验中，研究人员使用了所谓的光学晶格，这是一种激光网，用于将原子捕获在适当的位置，以便可以观察到它们。这是一种用于最新一代原子钟的技术，通过激光波提供更精确的计时，这些晶格也可用于量子模拟。

       在这里，两个原子钟读数取自同一原子云，处于高度受控的能量状态。事实上，原子在两个能级之间完美同步运行了 37 秒，创下了量子相干性（即保持量子态稳定）的记录——而这种稳定性对于这些测量至关重要。

       这使科学家们能够在两个不同的点读取读数，测量大约 100,000 个超冷锶原子云中的红移。红移显示了原子辐射频率沿电磁波谱的变化——或者换句话说，原子钟滴答作响的速度。

        虽然在这个微小距离上的红移差异仅为 0.0000000000000000001 左右，但这与广义相对论的预测一致。当您达到整个宇宙的规模时，甚至当您处理需要超精确的系统（例如 GPS 导航）时，这些差异可能会产生影响。

      一般而言，原子钟通过追踪原子“共振”频率测量时间，通常采用铷和铯原子，能达到相当高测量精度。激光性能会限制原子钟精度。威斯康星大学麦迪逊分校研究团队另辟蹊径，精确测量两个原子钟的差异，由于磁场或重力的变化，环境略微不同的两组原子会以不同频率“振动”。他们进行了逾1000次试验，不断提高精度。

      最终，研究人员测量到两个原子钟“振动”频率的差异，把原子钟精度提高到每3000亿年误差仅1秒。

      在这之前最精确的钟表是140亿年内误差不超过1/10秒。

       2020年底，《自然》杂志刊载了一篇来自美国麻省理工学院研究人员的成果报道，这些研究人员利用量子纠缠现象新设计出一种原子钟，如果运行约140亿年（大约是当前宇宙的年龄），该原子钟可将时间精度保持在十分之一秒之内。而在同样的时间框架内，此前最先进的原子钟偏差在半秒左右。

       与生活中常见的闹钟、手表等计时器不同，我们在日常生活中很难一窥原子钟的真面目。事实上，原子钟既高大上又接地气。说它高大上，是因为它或许能帮助解码宇宙中神秘莫测的信号；说它接地气，是因为如果没有它的帮助，手机上的导航就会把你带偏不止一点点。

       卫星定位系统都是通过获得卫星和用户接收机之间的距离来计算的，而距离等于传播时间乘以光速，因此精确的距离测量实际上就是精确的时间测量。没有高精度的时频，卫星导航定位系统就不可能实现高精度的导航与定位。所谓失之毫“秒”谬以千里，这正是原子钟大显身手的地方。