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超精密原子光学时钟可以帮助我们重新定义一秒的长度

这个是认证

编程老妖

2022-04-30 08:00

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秒的定义是我们当前测量系统中最基本的时间单位,70 多年来没有更新过。

但在接下来的十年左右,这种情况可能会发生变化:依赖可见光的超精密原子光学时钟有望为一秒设定新的定义。

这些较新版本的原子钟至少在理论上比金标准铯钟精确得多,后者根据暴露于微波时铯原子的振荡来测量一秒。

美国国家标准与技术研究院时间和频率部门的研究员杰弗里·谢尔曼(Jeffrey Sherman)说:“你可以认为它相当于每毫米都有一个刻度线的尺子,而不是一根只有 1 米长的棍子,”科罗拉多州告诉 Live Science。

据《纽约时报》报道,国际计量局可能会在 6 月发布未来对秒的任何定义所需的标准 。到目前为止,还没有一个光学时钟可以为黄金时段做好准备。 

但谢尔曼说,新定义最早可能在 2030 年获得正式批准。

新型光学时钟可以帮助揭开暗物质的面纱,这种不可见的物质会产生引力;或者找到称为引力波的大爆炸的残余物,即爱因斯坦相对论所预测的时空涟漪 。

基本计量单位

当前的标准秒是基于 1957 年对铯的同位素或变体进行的实验。当以特定波长的微波能量脉冲时,铯原子处于最“兴奋”状态,并释放出尽可能多的光子或光单位。

该波长被称为铯的自然共振频率,导致铯原子每秒“滴答”9,192,631,770 次。

据The New报道,1957 年对一秒的最初定义与一天的长度有关,而这一定义又与当时的地球自转和其他天体的位置等可变事物有关。 

相比之下,光学原子钟测量在电磁光谱可见范围内的光脉冲下“滴答”比铯原子快得多的原子的振荡。因为它们可以更快地滴答作响,所以理论上它们可以以更精细的分辨率定义一秒。

有多个竞争者可以取代铯作为卫冕计时器,包括锶、镱和铝。谢尔曼说,每个都有其优点和缺点。

为了实现这样的时钟,研究人员必须暂停原子并将其冷却到绝对零度范围内,然后用精确调谐的可见光颜色对它们进行脉冲,以最大限度地激发原子。

系统的一部分将光照射在原子上,另一部分计算振荡。

但是,一些最大的挑战来自确保激光器发出的光的颜色完全正确——比如说,某种蓝色或红色——需要将原子踢到共振频率,谢尔曼说。

第二步——计算振荡——需要一个所谓的飞秒激光频率梳,它以微小的间隔发送光脉冲,谢尔曼说。

这两个元素都是极其复杂的工程壮举,可以单独占据整个实验室。

光学时钟的用途

那么,为什么科学家们想要更精确的原子钟来测量秒呢?这不仅仅是一项学术活动。 

时间不只是随着自己的鼓声前进;爱因斯坦的相对论说它被质量和 引力扭曲了。

因此,在地球引力场更强的海平面上,与在珠穆朗玛峰顶部相比,在地球引力场稍弱的地方,时间的流逝可能会慢得多。 

检测时间流中的这些微小变化也可以揭示新物理学的证据。

例如,迄今为止,只有在遥远的星系相互环绕的运动中、行星和恒星周围的光弯曲以及大爆炸的剩余光中,才能检测到暗物质的影响。

但是,如果暗物质团块潜伏在离我们更近的地方,那么检测到时间微小减慢的超精密时钟就可以找到它们。 

同样,当引力波撼动时空结构时,它们会挤压和拉伸时间。激光干涉引力波天文台探测到一些最大的引力波,这是一场长达数千英里的光接力竞赛。

但是太空中的一个原子钟可以检测到慢得多的引力波的这些时间膨胀效应,例如来自宇宙微波背景的引力波。

“它们是所谓的原始引力波,可能是大爆炸的残余物,”谢尔曼说。

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