原子鐘精度提升將推動物理學進步

2024-07-09 08:33:29 來源：中國科技網

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美國國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學博爾德分校聯合成立的美國天體物理聯合實驗室（JILA）的科學家們，成功開發出了迄今已知最精確的原子鐘。這款原子鐘不僅能精準計時，還有助在廣闊的空間范圍內進行精準導航，并搜索新粒子。相關論文已經被最新一期《物理評論快報》雜志接收。

物理學家組織網在本月稍早時間報道中指出，隨著原子鐘精度的持續提升，它們將在引力波探測、暗物質探測等領域“大顯身手”，有望幫助科學家以前所未有的精確度測試廣義相對論等基本理論。而對于那些原子鐘建造師來說，他們不僅在開發更好的時鐘，更是在打造一把把揭示宇宙奧秘的“鑰匙”，為未來的前沿技術奠定基礎。

精度“更上一層樓”

當原子從一個能量態躍遷至更低能量態時，會釋放出電磁波。這種不連續的電磁波頻率，即為躍遷頻率。同一種原子的躍遷頻率是一定的。對于原子躍遷時輻射出來的電磁波頻率，原子鐘可把其作為一種節拍器來計時。也就是說，原子鐘通過測量原子的躍遷頻率，實現精準計時。

最早的原子鐘使用微波波段照射原子，使原子發生躍遷，但光學頻率遠高于微波頻率，更高頻率也意味著更高的計時精度。

2022年，JILA物理學家葉軍等人通過使用激光捕獲、冷卻和探測原子，研制出了當時最精確的原子鐘，其如果運行150億年，誤差不到一秒。

為進一步提升原子鐘的精度，在最新研究中，葉軍等人使用更淺、更溫和的激光“網”，捕獲了成千上萬個原子。這大大減少了兩個主要的誤差來源：捕獲原子的激光產生的效應，以及當原子緊密堆積相互碰撞產生的效應。在此基礎上，他們研制出了有史以來最精確的原子鐘。這款原子鐘如果運行300億年，誤差僅為一秒。

在更小尺度測量廣義相對論

高精度原子鐘可能會對科學研究產生巨大影響。

葉軍表示，他們新研制出來的原子鐘非常精確，即使在微觀尺度上，也能探測到廣義相對論等理論預測的微小效應。

廣義相對論認為，由于物質的存在，空間和時間會發生彎曲。其中一個關鍵預測是：時間本身受到引力的影響，而且引力場越強，時間過得越慢。2010年，NIST物理學家通過比較2個相距33厘米的原子鐘驗證了廣義相對論。

葉軍等人在《自然》雜志發表的論文中也指出，他們利用該原子鐘已經證實，愛因斯坦的廣義相對論所預測的時間膨脹在毫米尺度上是正確的——兩個微小的原子鐘，相隔僅一毫米，也會以不同速度運轉。

這種在微觀尺度上觀察廣義相對論效應的能力，有望幫助物理學家將量子力學與廣義相對論統一起來。量子力學在極小尺度上描述物質，廣義相對論則可在極大的宇宙尺度上預測物體的行為。原子鐘能夠探測到細小的引力效應，為廣義相對論和量子理論“聯姻”提供了可能性。

更精確的太空導航

更精確的原子鐘還可以實現更精確的太空導航。

隨著人類不斷深入太陽系，原子鐘將需要在很遠距離保持精確計時。所謂失之毫厘，謬以千里，計時中極其微小的錯誤會造成導航錯誤，從而對整個探索活動產生巨大影響。葉軍表示，如果科學家想讓航天器精確降落在火星上，就需要比現在的全球定位系統精確幾個數量級的原子鐘，最新研制出的這個原子鐘就有望助力實現這一目標。

除此之外，有些量子計算機以單個原子或者分子作為其基本信息處理單元（量子比特），對這些原子或分子進行精準操控將提升量子計算機的性能，原子鐘內精確操控單個原子的技術也在此找到了用武之地。

隨著原子鐘測量精度的進一步提升，科學家有望通過新現象增進對量子物理的理解。而對量子物理的新理解，反過來又可以促進實驗技術的發展，讓測量精度進一步提高。

葉軍表示，原子鐘既可作為探索量子力學與引力微妙關聯的“顯微鏡”，也可作為窺探宇宙深淵、追尋引力波與暗物質蹤跡的“望遠鏡”。

從時間流被引力扭曲的無窮小尺度，到暗物質和暗能量占據主導地位的廣闊宇宙邊界，原子鐘早已不是一個計時設備，它已經成為科學家的“慧眼”，幫助他們發現更多新現象，揭示更多未解之謎。