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新的原子钟精确到可以测暗物质

时间:2019-07-06 来源:异常一发

超精密的时钟可以帮助科学家们探索宇宙的奥秘。

来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Andrew Ludlow及其同事在比对了两个实验性镱原子光晶格钟之后,斩获了新的原子钟性能记录。光晶格钟理论上300亿年才会产生1秒误差。


新的原子钟精确到可以测暗物质


图:Burrus/NIST

在上个世纪50年代,科学家基于原子的微小振荡,发明了原子钟。这是人类创造的最精确的计时装置。

多准?140亿年内误差不超过1秒(宇宙年龄138亿年)。该原子钟的滴答率非常稳定,一天内的不稳定度仅为3.2×10-19。

当然,对于日常使用的时钟来说,不需要这么精确,分针能走准就行了。但在科学研究等领域,就要求时间必须精确到千分之一秒,甚至是百万分之一秒。

走得准只是一个开始。最新的这款原子钟精确到可以用来探测暗物质、测量引力波(时空弯曲中的涟漪),并以前所未有的精度确定地球重力场的确切形状。

确实,这些超精密的时钟可以帮助科学家们探索宇宙的奥秘。

Andrew Ludlow说道:“结果证明,如果你有了这么高测量精度的设备,就相当于拥有了一台能探索宇宙的显微镜。”

20世纪60年代以来,一开始是利用铯原子的自然振荡作为钟摆做出的原子钟,并以此来测量时间。手表的一秒不过是一声咔嚓,但对铯原子钟而言,一秒意味着90亿次的电子跃迁振荡,相当于咔嚓了90亿次。

现今的镱原子钟,其振荡则更快得多。它的原子摆动速度比铯原子钟快了1万倍,相当于接近每秒500万亿次

Ludlow说:“铯是个具有开创性意义的原子系统,但它的性能开发已经达到了极限。而镱原子钟可以把时间分解成更短的间隔,提高测量的精度。”

光晶格时钟发明距今仅有15年历史,仍处于发展阶段。科学家们正持续对它们进行修补,并随着每一次新的调整,逐渐提高它们的精确度。

而在最近的迭代中,大部分的改进都归功于Ludlow小组于几年前开发的新的热屏蔽功能。它能保护镱原子免受热和电场的影响,从而避免它们的自然振荡受到影响。

“我们想确定当我们测量原子的滴答率时,我们正在测量的是大自然给予它的速率,并且它不会由于环境的影响而受到干扰或改变,”他说。

因其高精确度,镱原子钟能够以史无前例的精度探测地球重力场的位移。

正如爱因斯坦的广义相对论所言,重力场中不同位置的点上,时间流逝的速度也是不一样的

比如高耸于山顶的钟会比同一座山的山脚下的时钟快一点点。

这不是机械误差。在山顶上,时间确实过得更快。

只不过大多数时钟不够精确,无法记录其中非常细微的差别。毕竟,10年时间里两个高度相差1000米的时钟,也只相差了3100万分之一秒。

目前所需的重力图用其它更便宜的技术一样能准确地画出,但Ludlow表示,这款新时钟可以检测出1cm海拔高度所产生的变化,这比以前精确得多。

此外,这款新原子钟还能用来探测暗物质,人们认为它的含量是其它的一般物质的五倍之多。

“虽然我们对暗物质知之甚少,但大多数理论预测它会以某种方式与原子相互作用,从而影响到时钟滴答的速率。”

该团队正在进一步试验,希望使用镱原子钟找到与LIGO(激光干涉引力波天文台)观测到的相同类型的引力波。

尽管这款新时钟的精确度已经令人难以置信,但远远还没有达到它的极限。更多的修修补补已经开始了。

蝌蚪五线谱编译自techxplore,译者 狗格格,转载须授权


新的原子钟精确到可以测暗物质


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