新型原子钟能运行140亿年误差不到0.1秒

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  据国外媒体报道,目前,美国专家最新设计出一种新型原子钟,它非常精确,如果让它持续运行140亿年(相当于当前宇宙的年龄),其误差竟然不到0.1秒。

  他们利用一种叫做量子纠缠的奇特现象,在该现象中粒子会紧密地连接在一起。研究人员解释称,量子纠缠有助于减少原子振荡时产生的不确定性,能够精准计时。

  原子钟可以揭晓构成宇宙四分之三以上难以捉摸的“暗物质”,也可以用于研究引力对时间的影响。该论文作者、美国麻省理工学院电子工程师爱德温·佩德罗佐·佩那菲尔说:“与目前最先进的光学时钟相比,量子纠缠增强光学原子钟有可能在1秒内达到更高精度。”

  就像落地式大摆钟利用摆锤的摆动进行计时一样,原子钟利用激光来测量原子云的有规律振动,这是科学家目前可以观测到最稳定的周期性事件。

  在理想情况下,人们可以利用单个原子的运动进行计时,然而在原子尺度上,量子力学的奇特规则开始发挥作用,同时该测量结果受统计概率影响,必须取平均数值才能产生可靠的数据。

  该论文合著作者、美国麻省理工学院物理学家西蒙尼·科伦坡解释称,当增加原子数量时,所有这些原子的平均值都趋向于正确值。

  当前原子钟能测量数千个超冷原子,使用激光将它们聚集在“光学陷阱”中,然后用另一种频率与被测原子振动频率相似的激光探测它们。

  然而,即使是这种方法也存在一定程度的量子不确定性,但正如研究小组所展示的那样,其中一些问题可以通过量子纠缠消除,通过量子纠缠,可获得一组原子的相关测量结果。

  新型原子钟可用于揭晓难以捉摸的“暗物质”,这些暗物质被认为构成了宇宙的四分之三以上,并且可用于研究引力对时间的影响。

  研究人员解释称,这意味着纠缠原子的单个振荡在一个共同频率附近收紧,从而提高了时钟测量的精度。在他们的最新时钟设计中,佩那菲尔和同事将大约350个镱原子(稀土元素)纠缠在一起,镱原子每秒振荡10万次,比钯原子(传统原子钟中使用的元素)的振荡频率更高,这一事实意味着,如果原子振荡跟踪准确的话,这种新型时钟甚至可以分辨出更短暂时间范围的差异。

  像普通原子钟一样,研究小组将原子困在两个镜面包围的光学振腔中,然后发射激光穿过光学振腔,使激光在两个镜面之间反弹,反复与原子相互作用并使它们纠缠在一起。

  麻省理工学院物理学家迟舒(音译)说:“这就好像光充当原子之间的通讯纽带,看到光的第一个原子能轻微地改变这束光,这束光也会改变第二个原子、第三个原子,经过许多个周期,原子集体相互了解,并开始表现出类似的行为特征。”

  然后,研究小组使用另一种激光测量原子的平均频率,与现有原子钟所用方法类似,研究小组发现,这种量子纠缠使时钟以4倍速度达到预期精度。

  麻省理工学院物理学家弗拉丹·鲁雷蒂克说:“我们可以通过测量更长时间来使时钟更加精确,问题在于你需要多长时间才能达到一定精度,许多现象需要用快速的时间尺度来衡量。最新时钟的设计可以用于更好地解决宇宙中各种未解之谜,随着宇宙年龄的增长,光的速度会改变吗?电荷会改变吗?你可以用更精确的原子钟进行探测。”目前,这项研究报告发表在近期出版的《自然》杂志上。

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