下一代光學(xué)原子鐘可用于探測(cè)引力波以及尋找暗物質(zhì)

英國(guó)《自然》雜志29日在線發(fā)表的一項(xiàng)物理學(xué)研究指出，下一代光學(xué)原子鐘已經(jīng)能比現(xiàn)有方法更精確地測(cè)量地球表面時(shí)空的引力扭曲。這一成果可用于探測(cè)引力波、檢測(cè)廣義相對(duì)論以及尋找暗物質(zhì)。

時(shí)間的流逝并非絕對(duì)，而是取決于給定的參照標(biāo)準(zhǔn)。因此，時(shí)鐘的測(cè)量很容易受到相對(duì)速度、加速度和重力勢(shì)的影響。重力勢(shì)增加會(huì)導(dǎo)致山頂?shù)溺姳鹊孛娴溺娮叩酶?。為了?duì)引力場(chǎng)中不同位置的鐘進(jìn)行比對(duì)，就需要一個(gè)共同的參照面。

地球上的參照面為大地水準(zhǔn)面，大地水準(zhǔn)面是與全球平均海水面重合的等勢(shì)面，目前由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和一個(gè)計(jì)入重力的大地水準(zhǔn)面模型的高程測(cè)量確定。兩者當(dāng)前均有幾厘米的不確定度，而使用原子鐘，就可以降低這種不確定度。

此次，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)科學(xué)家威廉姆·麥克盧及其同事，根據(jù)三個(gè)基準(zhǔn)表征了兩個(gè)鐿原子光晶格鐘?？茖W(xué)家們報(bào)告稱，以鐘頻為單位，系統(tǒng)不確定度為1.4×10-18，測(cè)量不穩(wěn)定度為3.2×10-19，并能通過(guò)反復(fù)本地頻率比對(duì)，達(dá)到不同鐘頻差為10-19量級(jí)的再現(xiàn)性。如此高的精確度，已經(jīng)可以確保大地水準(zhǔn)面測(cè)定的不確定度小于1厘米，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)。

研究人員表示，原子鐘是基于特定原子躍遷在光頻波段的測(cè)量。下一代原子鐘對(duì)引力的相對(duì)論效應(yīng)非常靈敏，甚至可以用作引力位探測(cè)器。

在2016年，NIST的物理學(xué)家曾利用鐿原子鐘創(chuàng)造了原子鐘穩(wěn)定性的世界紀(jì)錄。鐿原子鐘需要鐿原子冷卻，然后將其封閉到由激光制成的光晶格“容器”中，每秒“滴答”至少數(shù)百萬(wàn)億次的光晶格會(huì)引發(fā)這些原子在兩個(gè)能量級(jí)之間“擺動(dòng)”，最終制成了超級(jí)穩(wěn)定的原子鐘。(張夢(mèng)然)

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