140億年內誤差不超過1/10秒!原子鐘讓計時精度走向極限
2021年01月15日10:59

  根據原子物理學的基本原理,當原子從一個能量態躍遷至低的能量態時,它便會釋放電磁波。同一種原子的電磁波特徵頻率是一定的,可用作一種節拍器來保持高度精確的時間。原子鐘就是利用保持與原子的電磁波特徵頻率同步作為產生時間脈衝的節拍器。

  2020年底,《自然》雜誌刊載了一篇來自美國麻省理工學院研究人員的成果報導,這些研究人員利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘,如果運行約140億年(大約是當前宇宙的年齡),該原子鐘可將時間精度保持在十分之一秒之內。而在同樣的時間框架內,此前最先進的原子鐘偏差在半秒左右。

  自從人類意識到時間的流逝,就開始利用週期性現象進行追蹤。在古代,人們是觀察太陽、月亮在天空中的運動來判斷時間的運行,隨著科學技術發展,人類測量時間的手段也越來越先進。15世紀,依靠鍾擺和發條組成擒縱機構誕生,成為現代機械鍾表的核心,再後來又出現利用石英週期振動來計時的鍾表。到後來,原子鐘的出現成為人類計時史上的一次重大革命,它使得計時標準從天文學的宏觀領域轉向了物理學的微觀領域,歷史從此由“天文秒”時代進入“原子秒”時代,開啟了人類時間測量的嶄新階段。人類對時間的測量和追蹤正在越來越接近宇宙的本源。

  通過跟蹤原子振盪來測量時間

  生活中常以分秒來計時,在當今太空探測、通信導航、天文觀測、工業自動化等領域,越來越需要更精密的時間測量。時間常常被準確到萬分之一秒,甚至百萬分之一秒。為了達到要求,許多精密的計時器誕生,原子鐘就是其中之一。

  原子鐘是世界上已知最精確的計時儀器,採用了最準確的時間測量和頻率標準,同時這一標準也被認為是國際時間和頻率轉換的基準,廣泛應用於控制電視廣播和全球定位系統衛星的信號傳遞。原子鐘的研發涉及到量子物理學、電學、結構力學等眾多學科,目前國際上僅少數國傢俱有獨立研製能力。

圖片來源:視覺中國
圖片來源:視覺中國

  根據原子物理學的基本原理,原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差,來吸收或釋放電磁能量的。當原子從一個“能量態”躍遷至更低的“能量態”時,它便會釋放電磁波。這種不連續的電磁波的頻率,就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的——例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。原子鐘就是使用激光來測量原子的共振頻率,從而實現精準計時。

  如果要追求近乎完美的時間測量,原子鐘必須去跟蹤單個原子的振盪。但是按照量子力學的規律:當被測量時,原子振盪的行為就像拋一枚硬幣,只有在多次翻轉中取平均值才能給出相對穩定的數值,這被物理學家稱為標準量子極限。因此,今天的原子鐘被設計用來測量由成千上萬個相同類型的原子組成的氣體,以便估算其平均振盪頻率。

  儘管原子鐘的類型有多種,但其背後的原理大致相同。目前最常見的原子鐘使用的原子包括氫、銫、銣等堿金屬原子。但元素週期表中有100多種元素,為何科學家偏偏對這幾種原子情有獨鍾?

  這是因為堿金屬原子內部只有一個價電子,理論模型相對多價電子體系較為簡單。科學家在長期實驗中發現,堿金屬原子中銫原子鐘又最為穩定,誤差可低至每2000萬年1秒的水平。

  據瞭解,銫原子鐘使用銫原子束,通過磁場將能級不同的銫原子分離該時鍾將高穩定性銫振盪器與GPS高精度授時、測頻及時間同步技術有機結合在一起,使銫振盪器輸出頻率馴服同步於GPS衛星銫原子鐘信號上,提高了頻率信號的長期穩定性和準確度,能夠提供銫鍾量級的高精度時間頻率標準,是通信廣電等部門替代銫鍾的高性價比產品。

  氫原子鐘將氫原子保持在四周由特殊材料製成的容器中,從而使氫原子保持所需的能級,而不至於太快失去其較高的能量狀態,但是環境溫度變化及微波諧振腔老化會引起其輸出頻率的變化,從而導致氫原子鐘長期性能變差,為了減小這些影響,可借助自動調諧器來確保諧振腔的頻率始終工作在所需的頻率上,並採用新的溫度控制系統來改善氫原子鐘的長期性能。

  銣原子鐘是所有原子鐘中最簡單也最緊湊的一種,它使用裝有銣氣的玻璃腔,銣氣在周圍的微波頻率恰到好處時,就會按照銣原子的振盪頻率改變其光吸收率。銣原子鐘溯源同步到GPS衛星銫原子鐘上,輸出頻率幾乎沒有漂移,性能與銫原子鐘相近,而且不存在銫原子鐘那樣銫束管壽命短需要高成本更換的問題。

  量子糾纏讓計時精度 有了大幅提升

  那麼原子鐘是如何誕生的呢?

  1945年,美國哥倫比亞大學物理學教授伊西多·拉比提出,可以用他在上世紀30年代開發的原子束磁共振技術製作鍾表;1949年,美國國家標準技術研究院(NIST)的前身美國國家標準局公佈了世界上第一個使用氨分子作為振動源的原子鐘;1952年,NIST宣佈了第一個使用銫原子作為振盪源的原子鐘NBS-1。

  1955年,英國國家物理實驗室製造了第一個用作校準源的銫鍾。1967年,第十三屆度量衡大會基於銫原子的振盪定義了1秒時間,從那時起全球計時系統拋棄了天文曆書時,進入了原子時時代。1968年建成的NBS-4是當時世界上最穩定的銫原子鐘,並在上世紀90年代被用作NIST授時系統的一部分。

  NIST最新的銫原子鐘NIST-F1能夠將時間精度保持在每年約300億分之一秒,這是NIST建造的一系列銫鍾中的第8個,也是NIST第一個以“噴泉”原理工作的銫鍾。

  通常原子鐘是用激光把數千個原子關在一個光學“陷阱”里,然後用另一種頻率與被測原子振動頻率相似的激光探測它們。

  將原子以經典物理學定律不可能的方式關聯在一起,使科學家能夠更準確地測量原子的振盪。麻省理工學院的研究小組認為,如果原子被糾纏,它們的單個振盪將在一個共同的頻率附近收緊,與不被糾纏相比,偏差較小。因此,原子鐘可以測量的平均振盪將具有超出標準量子極限的精度。

  研究人員糾纏了約350個鐿原子,該元素每秒比常規原子鐘所使用的銫原子的振盪頻率高10萬倍。該小組使用標準技術冷卻原子並將其捕獲,困在由兩個反射鏡形成的光學腔中。然後,他們通過激光腔發出激光,使其在反射鏡之間反射,與原子反複相互作用並糾纏它們。

  通過這種方式,研究人員將原子糾纏在一起,然後使用類似於現有原子鐘的另一激光來測量其振盪的平均頻率。與不糾纏原子的類似實驗相比,他們發現帶有糾纏原子的原子鐘達到了所需精度的4倍。

  既有助於解碼宇宙又能服務生活

  與生活中常見的鬧鍾、手錶等計時器不同,我們在日常生活中很難一窺原子鐘的真面目。事實上,原子鐘既高大上又接地氣。說它高大上,是因為它或許能幫助解碼宇宙中神秘莫測的信號;說它接地氣,是因為如果沒有它的幫助,手機上的導航就會把你帶偏不止一點點。

  衛星定位系統都是通過獲得衛星和用戶接收機之間的距離來計算的,而距離等於傳播時間乘以光速,因此精確的距離測量實際上就是精確的時間測量。沒有高精度的時頻,衛星導航定位系統就不可能實現高精度的導航與定位。所謂失之毫“秒”謬以千里,這正是原子鐘大顯身手的地方。

  由於引力會影響時間的流逝,因此距離海平面更近的時鍾實際上比珠穆朗瑪峰上的時鍾慢一點,這意味著物理學家可以使用原子鐘來測定地球的形狀、大小和地球重力場等,這是一個被稱為大地測量學的科學領域。

  為了提高測量精度,天文學家已開始將設施同步到單個精確的時間標準。這種同步會改善被稱為超長基線干涉法的天文成像技術,該方法涉及多個天文台協同成像一個原本無法用單個望遠鏡分辨的物體。例如,天文學家今年早些時候使用這種技術拍攝了黑洞的第一張圖像。更好的時間同步將可以實現更高解像度的成像,因此也需要原子鐘來幫忙。

  此外,如果原子鐘能夠更準確地測量原子振盪,那麼它們將足夠靈敏以檢測諸如暗物質和引力波之類的現象。有了更好的原子鐘,科學家還可以開始回答一些令人費解的問題,例如重力對時間的流逝可能產生什麼影響,以及時間本身是否隨著宇宙的老化而改變。

  來源:科技日報  

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