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最精确三维量子气体锶钟诞生,20个宇宙年龄仅误差一秒!

徐德文2018-05-14 13:30:58

很久以前戴机械表,每天差不多要误差30来秒,时不时就得调一下;后来戴数字电子表,每天差不多要误差几秒钟,个把月也得调一下;后来买了石英表,感觉没什么误差了,不过一年半载似乎还是要调一下。现在用手机和电脑看时间,从来不调,不过有时还是不放心,总感觉时间不对劲。其实这种感觉很对劲,电脑和手机一般会在有网络的情况下自动校准时间,有误差是很正常的,特别是电脑,以前总发现时间不准确,现在这个问题似乎不存在了,大概是自动校准更以人为本了吧。

生活中我们的时间有这么大误差没多大影响,但在科学研究上,很多时候需要非常精确的时间,比如GPS卫星系统,如果不考虑相对论时间膨胀效应,它每天累积的定位偏差会达到11公里——将完全沦为地球轨道上的太空垃圾。所以科学家们一直在研制精确的计时系统,比如铯原子钟,利用电子转变能级时释放的精确微波信号计时,可以达到2000万年不差一秒。

不过这样的精度依然无法满足人民群众日益增长的科学活动要求了,来自美国国家标准和技术研究所(NIST)的科学家们提出了终极解决方案——至少在目前看来是这样:将锶原子量子气体压缩到三维光学晶格中。

此前最先进的原子钟是把大量原子排列成一维光栅,使用可见光来运行时钟,这样在一定时间内会产生更多的振荡,理论上使用的原子越多,构建的时钟越精确。但这也带来一个问题,那就是原子越多,它们之间的相互影响越强,抵消了精度的提高,同时来自振动原子的信号可能也会变得更模糊,量子力学效应不识时务地显示了它强大的威力。

而在整齐排列的三维光学晶格中,每个锶原子正好占据一个晶格,一方面减少了原子之间相互作用对时钟精度的影响,另一方面原子密度增大又提高了时钟的精确度,让锶光晶格钟具有同时询问数百万个原子的潜力,在平均1小时时间里达到了5X10^-19的测量精度。研究人员说,以前最精确的原子钟可达到150亿年误差1秒的精度,要等它丢失一秒钟的时间,即使你再等一个宇宙诞生到现在的时间也等不到,而最新的三维量子气体锶原子钟,则把这个精度又提高了20倍!

那么这种超级精密的时钟究竟有什么用呢?研究人员说,它可以帮助科学家们揭开宇宙更多的秘密,比如对暗物质的研究,可以用超精密时钟探测它们最细微的变化;通过测量引力对时间的影响,或许可以制造一个基于更精密时钟的桌面型引力波探测器,不需要几公里长的探臂,放在桌子上就可以看到数十亿光年外两个黑洞合并引发的时空的波涛汹涌了;甚至可能直接测量引力的微小变化,为广义相对论和量子力学结合在一起诞生量子引力理论创造有利的条件。

这项研究发表在10月6日的《科学》杂志上。

论文:http://science.sciencemag.org/content/358/6359/90

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