100亿年仅误差半秒的原子钟够精确吗？不，科学家又让它更准了
徐晓亚然2020-12-28 21:09
一直到20世纪20年代，人们用来计时最准确的工具依然是来自于钟摆的有规律摆动，后来才用了更加精准的石英晶体振荡频率来计时，这对于石英晶体振荡已达30MHz了，用在一般计时上毫无压力，一直到现在，家用始终最常见的都还是石英钟表。
古老的钟摆计时不过当广义相对论出来之后，人们想来验证广义相对论中关于时间和速度的神奇预言之后，才发现用石英振荡来测算，简直就跟到了21世纪还用烽火台来传送信息一样原始。于是有个强烈的要求出现，必须要有更加准时的计时工具。这个时候原子钟登场了。
石英晶体30年代时，美国哥伦比亚大学的拉比和他的学生发现，当处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。如果这个时候调节振动场的频率，使得所有原子均能跃迁。这个时候，我们就可以振动场的频率作为一个节拍器来产生时间信号，当这个时间信号越精细，计时就更加准确。
原子钟原理很快，世界各国根据这个原理都发展了各自的原子钟，其中以铯原子钟，氢原子钟，铷原子钟最为精确。直到1967年，人们发现用原子钟来计时是如此稳定可靠精确。同年举行的第13届国际计量大会将时间“秒”进行了重新定义：“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。尤以铯原子最为精确，美国GPS卫星上的原子钟就是铯原子钟，其误差大约在10亿分之1秒。
铯原子钟后来人们又开辟了原子钟的新方向，对利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟误差已经减小到每100亿年/半秒的精度。
这就到头了，当然没有，我们仍然能够估算到这样的原子钟还有误差，我们的目标是制造一个在宇宙生命的全过程几乎看不到误差的满级原子钟。这不，刚刚科学家又开始放大招了。
麻省理工学院2020年12月16日，麻省理工学院的科学家设计了一种新型原子钟，这种原子钟不但比之前的任何一种原子钟都要精确，它甚至精确到可能探测到暗物质和引力波。以往的原子钟测量的都是随机振荡的原子云，而他们的方案是测量那些处在量子纠缠中的原子。理论上这种装置假如成功研制，那么哪怕这个装置从宇宙诞生就开始运行，误差也不会超过100ms。
铷元素的应用在新原子钟中，研究者Vuletic和合作者让350个镱原子相互纠缠，这些镱原子以可见光的高频率振动。一旦纠缠之后，就意味着任何一个原子在1秒内振动的频率都比铯高10万倍。如果镱的振荡可以被精确追踪，科学家就可以用原子区分更小的时间间隔。那么怎样才能使得这些镱原子的振荡都被精确追踪到呢？科学家使用标准技术来冷却原子，并将它们困在由两个镜子组成的光学腔中。然后，他们通过光学腔发射一束激光，激光在反射镜之间来回碰撞，与原子发生了数千次的相互作用。
此时，照射在原子上的激光仿佛成了原子的通信纽带，在光线的来回碰撞之下，极短的时间内，所有原子的振荡频率都趋于一致。
更快的原子钟有可能窥探到宇宙的秘密科学家制造这么惊人准确的原子钟可不仅仅是更好计时，在我们可以把时间分得如此细致的情况下，会不会解开一些古老的问题，比如随着宇宙的衰老，光速会不会有所改变，电荷值始终都有最小单位吗？这些古老但是看似科幻世界的问题，也许在新型原子钟的追踪下会露出点马脚来被捕捉到。
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