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世界上最准确的时钟可以告诉我们有关地球和宇宙的信息

时间:2021-09-26 10:09:05 来源:

两位科学家开发了使用激光来捕获和冷却原子的技术,然后利用它们的振动来驱动所谓的“光学晶格钟”,这是有史以来最精确的计时件。

占据科罗拉多大学 Jun Ye 地下室实验室的时钟需要 150 亿年的时间才能失去一秒——关于宇宙存在的时间。对于这项发明,这位美籍华裔科学家将与日本的香取秀俊共同出资 300 万美元,共同获得 2022 年基础物理学突破奖。两人独立工作,开发了使用激光来捕获和冷却原子的技术,然后利用它们的振动来驱动所谓的“光学晶格时钟”,这是有史以来最精确的计时件。

相比之下,当前的原子钟每 1 亿年损失一秒。但是更高的准确度会带来什么?叶告诉法新社:“这真的是一种仪器,可以让你探测宇宙中时空的基本结构。”

在叶的实验室,研究人员表明,当时钟向地面移动几厘米时,时间会变慢,这与爱因斯坦的相对论预测一致。应用当前的技术,这些时钟可以将 GPS 导航精度提高一千倍,或者帮助无人驾驶航天飞机顺利降落在火星上。

时间简史

自古埃及人和中国人制造日晷以来,提高计时的精度和准确性一直是一个目标。1656 年摆钟的发明带来了重大突破,它依靠摆动的砝码来计时,几十年后天文钟的精度足以确定船舶在海上的经度。

20 世纪初,石英钟问世,当它受到电流震动时,会以非常特定的高频或一秒内的滴答声产生共振。

石英钟在现代电子产品中无处不在,但仍然有些容易受到制造过程或温度等条件引起的变化的影响。计时方面的下一个重大飞跃来自利用带电原子的运动来开发原子钟,这些原子钟不受环境变化的影响。

物理学家知道,单一的、非常高的频率会导致称为电子的粒子围绕特定类型的原子核跳跃到更高的能量状态,找到离原子核更远的轨道。

原子钟产生导致铯元素原子跳跃到更高能量状态的近似频率。然后,探测器会计算这些带电原子的数量,并在必要时调整频率以使时钟更精确。精确到自 1967 年以来,一秒被定义为铯原子的 9,192,631,770 次振荡。

探索宇宙和地球

Katori 和 Ye 的实验室已经找到了通过将振荡移动到电磁波谱的可见端来进一步改进原子钟的方法,其频率比当前原子钟中使用的频率高十万倍——使它们更加准确。

他们意识到他们需要一种方法来捕获原子——在这种情况下是元素锶——并在超低温下保持它们静止以帮助正确测量时间。如果原子由于重力而下落或以其他方式移动,则会损失准确性,并且相对论会导致计时失真。为了捕获原子,发明人创造了一种“光学晶格”,由沿相反方向移动的激光波制成,形成一个固定的、类似鸡蛋盒的形状。

叶对他的时钟的潜在用途感到兴奋。例如,将世界上最好的天文台的时钟同步到最微小的几分之一秒将使天文学家能够更好地概念化黑洞。更好的时钟还可以为地球的地质过程提供新的线索。

相对论告诉我们,当它接近一个巨大的物体时,时间会变慢,因此一个足够准确的时钟可以告诉科学家地表以下固体岩石和火山熔岩之间的区别,有助于预测喷发。或者实际上,测量海洋的水位,或者沙漠下有多少水流。

叶说,下一个重大挑战是将技术小型化,以便将其移出实验室。这位科学家承认,有时很难向公众解释基本的物理概念。“但是当他们听到时钟时,他们会觉得这是一个有形的东西,他们可以与之建立联系,这非常有益,”他说。

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