原子鍾的心髒      圖片來源：新加坡國立大學

三維量子氣體(ti) 原子鍾     圖片來源：G.E. Marti/JILA

 用原子鍾尋找暗物質     圖片來源：Hanacek/NIST

“滴答”。對很多人而言，呼吸間就是1秒；或在表盤上，秒針走一步，就是1秒。

但在科學上，秒的精度遠不止於(yu) 此。

近日，美國國家標準與(yu) 技術研究所（NIST）領導的一個(ge) 研究小組通過空氣和光纖鏈路，以迄今最高的準確度比較了基於(yu) 鋁、鍶、鐿的3種原子鍾。研究結果朝著更精準複現秒定義(yi) 的目標邁出了重要一步。

這項工作是首次比較3個(ge) 基於(yu) 不同原子的時鍾，也是第一次將不同位置的原子鍾隔空相連。3月25日，相關(guan) 論文刊登於(yu) 《自然》。

“這些發現向秒的重新定義(yi) 更近了一步，並有助於(yu) 尋找暗物質——宇宙中難以捉摸的組成部分。”未參與(yu) 該研究的英國特丁頓國家物理實驗室的Rachel Godun在同期發表的觀點文章中寫(xie) 道。

什麽(me) 是秒

遠古時代，人們(men) 對時間的參照來源於(yu) 太陽。日出而作日落而息，地球自轉為(wei) 人們(men) 提供了時間判斷標準，這種時標被稱為(wei) “平太陽時”，也叫“世界時”。

慢慢地，人們(men) 開始對時間進一步細分，秒出現了。最初，人們(men) 先借助天文觀測得到地球自轉的平均周期（即日長），然後細分成86400份，進而得到秒長。這也是天文秒。

20世紀20年代，天文學家發現，由於(yu) 地球上的季節性氣流和洋流的運動，地球自轉有周期性變化。於(yu) 是，人們(men) 開始提出新的計時方法——原子時。1948年，英國製造出世界上第一台原子鍾。

原子鍾就是以原子中電子的振動為(wei) 振子的時鍾，其中以光波段的電子振動為(wei) 振子的時鍾稱為(wei) 光鍾。光晶格鍾是光鍾的一種。原子鍾的準確度使其成為(wei) 了計時和其他精確測量的絕佳工具。這是因為(wei) 原子會(hui) 在特定頻率發射和吸收光子，這個(ge) 過程基本不受環境因素的幹擾。

1967年，國際計量大會(hui) 決(jue) 定用原子秒取代天文秒，秒長定義(yi) 是堿金屬銫133同位素基態兩(liang) 個(ge) 超精細能級之間躍遷輻射的9192631770個(ge) 周期所持續的時間間隔。1958年1月1日零時零分零秒成為(wei) “原子時”的計時起點，並與(yu) “世界時”重合。

1972年，實驗室型銫原子基準鍾正式成為(wei) 複現秒定義(yi) 的手段。

此前，科學家曾演示過頻率準確度達小數點後18位的原子鍾，超過了目前用於(yu) 定義(yi) 秒的銫原子鍾。不過，為(wei) 了獲得更準確的秒定義(yi) ，就必須對這些原子鍾進行比較。迄今為(wei) 止，使用不同種類原子的鍾，頻率比值的最高測量準確度能把測量不確定度降到小數點後17位。

“我們(men) 需要對這些光學鍾進行測試，以確認它們(men) 的工作精度達到了我們(men) 評估的水平。當我們(men) 致力於(yu) 最終基於(yu) 光學時鍾重新定義(yi) 國際原子鍾時，同樣的頻率比可以由世界各地的其他團體(ti) 測量。”該研究通訊作者、NIST物理學家David Hume在接受《中國科學報》采訪時說。

部署天羅地網

Hume和同事部署了一個(ge) 3種原子鍾組成的網絡。這些原子鍾分別被放置在科羅拉多州博爾德市各個(ge) 地點的大樓裏，並比較了它們(men) 在2017年11月至2018年6月期間各自的頻率比值。

這些原子鍾是NIST不同實驗室的鋁離子時鍾和鐿晶格時鍾，以及位於(yu) 1.5公裏外JILA的鍶晶格時鍾（JILA是NIST和科羅拉多大學的聯合研究所）。

Godun告訴記者，世界上最好的光學鍾正是包括NIST的鋁離子和鐿時鍾，以及JILA的鍶時鍾。所有3個(ge) 時鍾的測量頻率估計誤差在10¹⁸分之2或更好。

但測量工作麵臨(lin) 著前所未有的挑戰：因為(wei) 這3個(ge) 原子鍾以截然不同的頻率“滴答”，因此所有的網絡組件都必須以極高的精度運行，無線連接也需要尖端的激光技術和設計。

“所有這些時鍾都經過了多年的不斷改進和評估。建立原子鍾網絡麵臨(lin) 的主要挑戰之一，是將原子鍾組合在一起，並讓它們(men) 同時以高準確度運行。為(wei) 了使測量成為(wei) 可能，我們(men) 采用了三個(ge) 光學時鍾，許多相位穩定的光鏈路（包括一個(ge) 自由空間的光鏈路）和飛秒頻率光梳。”Hume說。

其中，空中光鏈路的關(guan) 鍵是光梳的使用，後者可以精確地比較不同的頻率。研究人員開發了雙向傳(chuan) 輸方法，即使在大氣湍流和實驗室振動的條件下，也可以在空中精確地比較光學時鍾。該研究也是第一次用基於(yu) 梳狀結構的信號傳(chuan) 輸技術比較最先進的原子鍾。

自1967年以來，秒的定義(yi) 基於(yu) 銫原子在微波頻率下的跳動。新研究中使用的原子鍾以更高的光學頻率滴答作響，這種頻率將時間分成了更小的單位，從(cong) 而提供了更高的精度。

精確到小數點後18位

該研究比較獲得的測量精度範圍可以達到小數點後18位，這是頻率比值不確定度首次小於(yu) 小數點後17位。

具體(ti) 而言，光纖和空中無線鏈路的不確定度都隻有10¹⁸分之6到8，也就是說，誤差沒有超過 0.000000000000000008。而且，所有3類原子鍾都具有卓越的性能，並有望進一步改進。例如，NIST的鐿原子鍾代表了原子的固有頻率，誤差可能在10¹⁸分之1.4以內(nei) 。

研究人員還描述了如何通過空中鏈路在鐿時鍾和鍶時鍾之間傳(chuan) 輸時間信號，他們(men) 發現這個(ge) 過程的工作效率與(yu) 光纖一樣好，比傳(chuan) 統的無線傳(chuan) 輸方案精確1000倍。這顯示了最好的原子鍾是如何在地球上的遠程站點之間同步的，以及時間信號如何在更遠的距離上被傳(chuan) 輸，甚至在宇宙飛船之間飛行。

新結果也創下了其他重要記錄。NIST團隊測量了頻率比，即三對（鐿—鍶、鐿—鋁、鋁—鍶）原子頻率之間的定量關(guan) 係。這是迄今為(wei) 止對該常數進行的3個(ge) 最精確的測量結果。

頻率比是評價(jia) 光學原子鍾的一個(ge) 重要指標。直接測量光學時鍾頻率通常以赫茲(zi) 為(wei) 單位，受到目前國際標準銫微波時鍾的精度限製。而頻率比克服了這個(ge) 限製，因為(wei) 它們(men) 沒有以任何單位表示。

此外，Godun提到，根據目前的理論，原子不會(hui) 通過電磁力與(yu) 暗物質相互作用。然而，如果這些相互作用存在，它們(men) 會(hui) 導致原子鍾頻率的微小變化。“該研究沒有發現這樣的變化，這揭示了原子與(yu) 某種特定類型的暗物質之間的任何電磁相互作用的最大強度幾乎是之前確定的強度的十倍。”

研究團隊正在致力於(yu) 提高測量穩定性和時鍾性能，Hume說，我們(men) 期待將這些測量推向更高的精度水平。

光學時鍾網絡也可以用於(yu) 探索物理學的許多其他方麵，因為(wei) 它們(men) 的精度使人們(men) 能夠以前所未有的分辨率獲得對周圍世界的測量。例如在更嚴(yan) 格的水平上測試愛因斯坦的相對論，以及尋找物理常數值的可能變化。“無論是何種應用，時鍾比較越好，影響越大。”Godun說，“由於(yu) 目前的精度限製是由技術問題決(jue) 定的，因此更好地測量非常有希望。”

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03253-4

https://doi.org/10.1038/d41586-021-00738-0



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