編譯／朱明逸  審稿／三水

據(jù)《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版刊發(fā)的一篇研究論文稱，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究（NIST）的原子鐘實(shí)驗(yàn)打破了三項(xiàng)之前創(chuàng)造的性能紀(jì)錄。這些時(shí)鐘目前的精準(zhǔn)程度不僅可以改善計(jì)時(shí)和導(dǎo)航功能，還可以用于探測(cè)到來自引力、早期宇宙甚至暗物質(zhì)的微弱信號(hào)。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的物理學(xué)家安德魯·拉德洛的研究小組通過對(duì)兩個(gè)鐿原子光學(xué)晶格時(shí)鐘進(jìn)行比較，打破了原子能時(shí)鐘最新的性能紀(jì)錄。該照片前景中是在這兩個(gè)時(shí)鐘中所使用的激光系統(tǒng)，拉德洛身后是其中一臺(tái)時(shí)鐘的主要裝置。

據(jù)《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版11月28日刊發(fā)的一篇研究論文稱，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology, 簡稱NIST）的原子鐘實(shí)驗(yàn)打破了三項(xiàng)之前創(chuàng)造的性能紀(jì)錄。這些時(shí)鐘目前的精準(zhǔn)程度不僅可以改善計(jì)時(shí)和導(dǎo)航功能，還可以用于探測(cè)到來自引力、早期宇宙甚至暗物質(zhì)的微弱信號(hào)。

在實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)時(shí)鐘在其光學(xué)晶格——由激光束構(gòu)成的柵格——中捕獲囚禁了1000個(gè)鐿原子，這些原子的“嘀嗒”轉(zhuǎn)動(dòng)是通過振動(dòng)或在兩個(gè)能級(jí)之間切換來進(jìn)行的。通過比較兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，NIST的物理學(xué)家們?cè)谙到y(tǒng)性的不確定性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性等三個(gè)重要測(cè)量指標(biāo)上取得了該類型時(shí)鐘性能表現(xiàn)的最新紀(jì)錄。

該研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人安德魯·拉德洛（Andrew Ludlow）介紹道：“系統(tǒng)性的不確定性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性可以被認(rèn)為是這些原子能時(shí)鐘性能的‘同花順’，我們把其中兩個(gè)時(shí)鐘在這一空前水平上所具有的一致性稱可重復(fù)性——這或許是最重要的研究成果，因?yàn)樗诒举|(zhì)上要求以另外兩個(gè)結(jié)果為基礎(chǔ)，并且對(duì)它們進(jìn)行了反證。”

拉德洛進(jìn)一步指出：“這一點(diǎn)千真萬確，因?yàn)楸蛔C實(shí)的可重復(fù)性表明，這些時(shí)鐘的總誤差率已經(jīng)低到不會(huì)影響我們計(jì)算引力對(duì)地球上時(shí)間造成影響的總體能力。因此，當(dāng)我們?cè)O(shè)想這樣的時(shí)鐘在全美國乃至世界各地被廣泛使用時(shí)，它們的相對(duì)性能表現(xiàn)才將首次受到地球引力效應(yīng)的限制。”愛因斯坦的相對(duì)論曾預(yù)言，原子鐘的“滴答”轉(zhuǎn)動(dòng)在更強(qiáng)的引力作用下會(huì)減弱變慢——原子振動(dòng)的頻率向電磁波譜的紅端移動(dòng)。換句話說，在地球上的低海拔地區(qū)，時(shí)間會(huì)過得更慢些。

盡管這些所謂的“紅移”降低了時(shí)鐘的計(jì)時(shí)能力，但是這一靈敏度同樣也可以反過來被用于精確地測(cè)量重力。超靈敏的原子鐘能夠比以往任何時(shí)候都更精確地反映時(shí)空的引力畸變。它的應(yīng)用領(lǐng)域包括測(cè)量地球引力形態(tài)的“相對(duì)論測(cè)地學(xué)”(relativistic geodesy)、探測(cè)來自宇宙早期如引力波的信號(hào)，以及尋找尚未被人類科學(xué)所解釋的“暗物質(zhì)”。NIST的鐿原子時(shí)鐘的功能目前已經(jīng)超出了測(cè)量大地水準(zhǔn)面的常規(guī)能力——利用基于海平面的潮汐測(cè)量儀對(duì)地球形狀進(jìn)行測(cè)量的能力。假如將這些時(shí)鐘放置在相隔很遠(yuǎn)的地區(qū)（如在不同大陸上），然后再進(jìn)行比較，可以將測(cè)地精度提高到1厘米以內(nèi)，這要比目前幾厘米的全球最好水平還要精確不少。

研究人員表示，與過去十年間NIST和世界各地其他實(shí)驗(yàn)室所公布的原子鐘性能紀(jì)錄數(shù)據(jù)相比，這篇最新的論文所闡述的可重復(fù)性位于很高的水平，而對(duì)兩個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行比較是評(píng)估原子鐘性能的一個(gè)傳統(tǒng)方法。另外，NIST在最新款的鐿原子鐘上的改進(jìn)之一是添加了熱屏蔽和電屏蔽，這種包裹原子的屏蔽可以保護(hù)原子不受雜散電場(chǎng)的影響，從而讓研究人員能夠更好地描述和校正由熱輻射引起的頻移。

NIST正在建造一種在全球性能最為先進(jìn)的便攜式鐿原子晶格時(shí)鐘，這種時(shí)鐘可以被運(yùn)輸?shù)绞澜绺鞯氐钠渌麑?shí)驗(yàn)室進(jìn)行時(shí)鐘的比較研究，以及其他的地點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)論測(cè)地技術(shù)的探索。

期刊來源： 《自然》（Nature）

原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181128141833.htm