編譯／朱明逸  審稿／三水

據《自然》雜志網絡版刊發的一篇研究論文稱，美國國家標準與技術研究（NIST）的原子鐘實驗打破了三項之前創造的性能紀錄。這些時鐘目前的精準程度不僅可以改善計時和導航功能，還可以用于探測到來自引力、早期宇宙甚至暗物質的微弱信號。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的物理學家安德魯·拉德洛的研究小組通過對兩個鐿原子光學晶格時鐘進行比較，打破了原子能時鐘最新的性能紀錄。該照片前景中是在這兩個時鐘中所使用的激光系統，拉德洛身后是其中一臺時鐘的主要裝置。

據《自然》雜志網絡版11月28日刊發的一篇研究論文稱，美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology, 簡稱NIST）的原子鐘實驗打破了三項之前創造的性能紀錄。這些時鐘目前的精準程度不僅可以改善計時和導航功能，還可以用于探測到來自引力、早期宇宙甚至暗物質的微弱信號。

在實驗中，每個時鐘在其光學晶格——由激光束構成的柵格——中捕獲囚禁了1000個鐿原子，這些原子的“嘀嗒”轉動是通過振動或在兩個能級之間切換來進行的。通過比較兩個獨立的時鐘的運轉數據，NIST的物理學家們在系統性的不確定性、穩定性和可重復性等三個重要測量指標上取得了該類型時鐘性能表現的最新紀錄。

該研究項目的負責人安德魯·拉德洛（Andrew Ludlow）介紹道：“系統性的不確定性、穩定性和可重復性可以被認為是這些原子能時鐘性能的‘同花順’，我們把其中兩個時鐘在這一空前水平上所具有的一致性稱可重復性——這或許是最重要的研究成果，因為它在本質上要求以另外兩個結果為基礎，并且對它們進行了反證。”

拉德洛進一步指出：“這一點千真萬確，因為被證實的可重復性表明，這些時鐘的總誤差率已經低到不會影響我們計算引力對地球上時間造成影響的總體能力。因此，當我們設想這樣的時鐘在全美國乃至世界各地被廣泛使用時，它們的相對性能表現才將首次受到地球引力效應的限制。”愛因斯坦的相對論曾預言，原子鐘的“滴答”轉動在更強的引力作用下會減弱變慢——原子振動的頻率向電磁波譜的紅端移動。換句話說，在地球上的低海拔地區，時間會過得更慢些。

盡管這些所謂的“紅移”降低了時鐘的計時能力，但是這一靈敏度同樣也可以反過來被用于精確地測量重力。超靈敏的原子鐘能夠比以往任何時候都更精確地反映時空的引力畸變。它的應用領域包括測量地球引力形態的“相對論測地學”(relativistic geodesy)、探測來自宇宙早期如引力波的信號，以及尋找尚未被人類科學所解釋的“暗物質”。NIST的鐿原子時鐘的功能目前已經超出了測量大地水準面的常規能力——利用基于海平面的潮汐測量儀對地球形狀進行測量的能力。假如將這些時鐘放置在相隔很遠的地區（如在不同大陸上），然后再進行比較，可以將測地精度提高到1厘米以內，這要比目前幾厘米的全球最好水平還要精確不少。

研究人員表示，與過去十年間NIST和世界各地其他實驗室所公布的原子鐘性能紀錄數據相比，這篇最新的論文所闡述的可重復性位于很高的水平，而對兩個時鐘進行比較是評估原子鐘性能的一個傳統方法。另外，NIST在最新款的鐿原子鐘上的改進之一是添加了熱屏蔽和電屏蔽，這種包裹原子的屏蔽可以保護原子不受雜散電場的影響，從而讓研究人員能夠更好地描述和校正由熱輻射引起的頻移。

NIST正在建造一種在全球性能最為先進的便攜式鐿原子晶格時鐘，這種時鐘可以被運輸到世界各地的其他實驗室進行時鐘的比較研究，以及其他的地點進行相對論測地技術的探索。

期刊來源： 《自然》（Nature）

原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181128141833.htm