極冷的鍶原子氣體被困在阱內(nèi)。圖片來源：NIST
科技日報記者?劉霞
美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合成立的美國天體物理聯(lián)合實驗室（JILA）的科學(xué)家們，成功開發(fā)出了迄今已知最精確的原子鐘。這款原子鐘不僅能精準(zhǔn)計時，還有助在廣闊的空間范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)導(dǎo)航，并搜索新粒子。相關(guān)論文已經(jīng)被最新一期《物理評論快報》雜志接收。
物理學(xué)家組織網(wǎng)在本月稍早時間報道中指出，隨著原子鐘精度的持續(xù)提升，它們將在引力波探測、暗物質(zhì)探測等領(lǐng)域“大顯身手”，有望幫助科學(xué)家以前所未有的精確度測試廣義相對論等基本理論。而對于那些原子鐘建造師來說，他們不僅在開發(fā)更好的時鐘，更是在打造一把把揭示宇宙奧秘的“鑰匙”，為未來的前沿技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
精度“更上一層樓”
當(dāng)原子從一個能量態(tài)躍遷至更低能量態(tài)時，會釋放出電磁波。這種不連續(xù)的電磁波頻率，即為躍遷頻率。同一種原子的躍遷頻率是一定的。對于原子躍遷時輻射出來的電磁波頻率，原子鐘可把其作為一種節(jié)拍器來計時。也就是說，原子鐘通過測量原子的躍遷頻率，實現(xiàn)精準(zhǔn)計時。
最早的原子鐘使用微波波段照射原子，使原子發(fā)生躍遷，但光學(xué)頻率遠(yuǎn)高于微波頻率，更高頻率也意味著更高的計時精度。
2022年，JILA物理學(xué)家葉軍等人通過使用激光捕獲、冷卻和探測原子，研制出了當(dāng)時最精確的原子鐘，其如果運行150億年，誤差不到一秒。
為進(jìn)一步提升原子鐘的精度，在最新研究中，葉軍等人使用更淺、更溫和的激光“網(wǎng)”，捕獲了成千上萬個原子。這大大減少了兩個主要的誤差來源：捕獲原子的激光產(chǎn)生的效應(yīng)，以及當(dāng)原子緊密堆積相互碰撞產(chǎn)生的效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，他們研制出了有史以來最精確的原子鐘。這款原子鐘如果運行300億年，誤差僅為一秒。
在更小尺度測量廣義相對論
高精度原子鐘可能會對科學(xué)研究產(chǎn)生巨大影響。
葉軍表示，他們新研制出來的原子鐘非常精確，即使在微觀尺度上，也能探測到廣義相對論等理論預(yù)測的微小效應(yīng)。
廣義相對論認(rèn)為，由于物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲。其中一個關(guān)鍵預(yù)測是：時間本身受到引力的影響，而且引力場越強(qiáng)，時間過得越慢。2010年，NIST物理學(xué)家通過比較2個相距33厘米的原子鐘驗證了廣義相對論。
葉軍等人在《自然》雜志發(fā)表的論文中也指出，他們利用該原子鐘已經(jīng)證實，愛因斯坦的廣義相對論所預(yù)測的時間膨脹在毫米尺度上是正確的——兩個微小的原子鐘，相隔僅一毫米，也會以不同速度運轉(zhuǎn)。
這種在微觀尺度上觀察廣義相對論效應(yīng)的能力，有望幫助物理學(xué)家將量子力學(xué)與廣義相對論統(tǒng)一起來。量子力學(xué)在極小尺度上描述物質(zhì)，廣義相對論則可在極大的宇宙尺度上預(yù)測物體的行為。原子鐘能夠探測到細(xì)小的引力效應(yīng)，為廣義相對論和量子理論“聯(lián)姻”提供了可能性。
更精確的太空導(dǎo)航
更精確的原子鐘還可以實現(xiàn)更精確的太空導(dǎo)航。
隨著人類不斷深入太陽系，原子鐘將需要在很遠(yuǎn)距離保持精確計時。所謂失之毫厘，謬以千里，計時中極其微小的錯誤會造成導(dǎo)航錯誤，從而對整個探索活動產(chǎn)生巨大影響。葉軍表示，如果科學(xué)家想讓航天器精確降落在火星上，就需要比現(xiàn)在的全球定位系統(tǒng)精確幾個數(shù)量級的原子鐘，最新研制出的這個原子鐘就有望助力實現(xiàn)這一目標(biāo)。
除此之外，有些量子計算機(jī)以單個原子或者分子作為其基本信息處理單元（量子比特），對這些原子或分子進(jìn)行精準(zhǔn)操控將提升量子計算機(jī)的性能，原子鐘內(nèi)精確操控單個原子的技術(shù)也在此找到了用武之地。
隨著原子鐘測量精度的進(jìn)一步提升，科學(xué)家有望通過新現(xiàn)象增進(jìn)對量子物理的理解。而對量子物理的新理解，反過來又可以促進(jìn)實驗技術(shù)的發(fā)展，讓測量精度進(jìn)一步提高。
葉軍表示，原子鐘既可作為探索量子力學(xué)與引力微妙關(guān)聯(lián)的“顯微鏡”，也可作為窺探宇宙深淵、追尋引力波與暗物質(zhì)蹤跡的“望遠(yuǎn)鏡”。
從時間流被引力扭曲的無窮小尺度，到暗物質(zhì)和暗能量占據(jù)主導(dǎo)地位的廣闊宇宙邊界，原子鐘早已不是一個計時設(shè)備，它已經(jīng)成為科學(xué)家的“慧眼”，幫助他們發(fā)現(xiàn)更多新現(xiàn)象，揭示更多未解之謎。
