新的原子鐘精確到可以測暗物質

超精密的時鐘可以幫助科學家們探索宇宙的奧秘。

來自美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家Andrew Ludlow及其同事在比對了兩個實驗性鐿原子光晶格鍾之後，斬獲了新的原子鐘性能記錄。光晶格鍾理論上300億年才會產生1秒誤差。

圖：Burrus/NIST

在上個世紀50年代，科學家基於原子的微小振蕩，發明了原子鐘。這是人類創造的最精確的計時裝置。

多准？140億年內誤差不超過1秒（宇宙年齡138億年）。該原子鐘的滴答率非常穩定，一天內的不穩定度僅為3.2×10-19。

當然，對於日常使用的時鐘來說，不需要這麼精確，分針能走准就行了。但在科學研究等領域，就要求時間必須精確到千分之一秒，甚至是百萬分之一秒。

走得准只是一個開始。最新的這款原子鐘精確到可以用來探測暗物質、測量引力波（時空彎曲中的漣漪），並以前所未有的精度確定地球重力場的確切形狀。

確實，這些超精密的時鐘可以幫助科學家們探索宇宙的奧秘。

Andrew Ludlow說道：「結果證明，如果你有了這麼高測量精度的設備，就相當於擁有了一台能探索宇宙的顯微鏡。」

20世紀60年代以來，一開始是利用銫原子的自然振蕩作為鐘擺做出的原子鐘，並以此來測量時間。手錶的一秒不過是一聲咔嚓，但對銫原子鐘而言，一秒意味著90億次的電子躍遷振蕩，相當於咔嚓了90億次。

而現今的鐿原子鐘，其振蕩則更快得多。它的原子擺動速度比銫原子鐘快了1萬倍，相當於接近每秒500萬億次。

Ludlow說：「銫是個具有開創性意義的原子系統，但它的性能開發已經達到了極限。而鐿原子鐘可以把時間分解成更短的間隔，提高測量的精度。」

光晶格時鐘發明距今僅有15年歷史，仍處於發展階段。科學家們正持續對它們進行修補，並隨著每一次新的調整，逐漸提高它們的精確度。

而在最近的迭代中，大部分的改進都歸功於Ludlow小組於幾年前開發的新的熱屏蔽功能。它能保護鐿原子免受熱和電場的影響，從而避免它們的自然振蕩受到影響。

「我們想確定當我們測量原子的滴答率時，我們正在測量的是大自然給予它的速率，並且它不會由於環境的影響而受到干擾或改變，」他說。

因其高精確度，鐿原子鐘能夠以史無前例的精度探測地球重力場的位移。

正如愛因斯坦的廣義相對論所言，重力場中不同位置的點上，時間流逝的速度也是不一樣的。

比如高聳于山頂的鐘會比同一座山的山腳下的時鐘快一點點。

這不是機械誤差。在山頂上，時間確實過得更快。

只不過大多數時鐘不夠精確，無法記錄其中非常細微的差別。畢竟，10年時間裡兩個高度相差1000米的時鐘，也只相差了3100萬分之一秒。

目前所需的重力圖用其它更便宜的技術一樣能準確地畫出，但Ludlow表示，這款新時鐘可以檢測出1cm海拔高度所產生的變化，這比以前精確得多。

此外，這款新原子鐘還能用來探測暗物質，人們認為它的含量是其它的一般物質的五倍之多。

「雖然我們對暗物質知之甚少，但大多數理論預測它會以某種方式與原子相互作用，從而影響到時鐘滴答的速率。」

該團隊正在進一步試驗，希望使用鐿原子鐘找到與LIGO（激光干涉引力波天文台）觀測到的相同類型的引力波。

儘管這款新時鐘的精確度已經令人難以置信，但遠遠還沒有達到它的極限。更多的修修補補已經開始了。

蝌蚪五線譜編譯自techxplore，譯者 狗格格，轉載須授權

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