科学家们开发出了世界上最精确的原子钟，每300亿年可能只误差一秒，这一突破性的技术将重新定义计时标准，并在导航、资源探测和基本物理理论测试等方面产生深远影响。
JILA的科学家开发了一种超精密的原子钟，将计时精度提高到前所未有的水平。这项使用可见光波测量时间的创新可以改变导航，揭示隐藏的资源，并测试广义相对论等基本理论。（艺术家的概念。信用：SciTechDaily.com）
JILA研究人员创造了迄今为止最精确的原子钟，使用可见光进行时间测量。这一突破可以重新定义计时标准，并解锁物理学的新见解，帮助太空探索和量子计算。
在人类对完美的不懈追求中，科学家们创造了一种原子钟，其精度和准确性超过了以往所有时钟。由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合机构JILA的研究人员开发，这种新时钟代表了计时技术的重大进步。
在浩瀚的太空中实现精确导航并寻找新的粒子，该时钟是超越单纯计时的最新时钟。随着精度的提高，这些下一代计时器可以揭示隐藏的地下矿藏，并以前所未有的严谨性测试广义相对论等基本理论。对于原子钟建筑师来说，这不仅仅是建造一个更好的时钟；这是关于揭开宇宙的秘密，并为将为子孙后代塑造我们世界的技术铺平道路。
全球科学界正在考虑根据这些下一代光学原子钟重新定义第二种国际时间单位。现有的原子钟将微波照射在原子上以测量秒。这种新的时钟波用可见光波照亮原子，可见光波的频率要高得多，可以更精确地计算出秒。与目前的微波时钟相比，光学时钟有望为国际计时提供更高的精度——每300亿年可能只误差一秒。
但是，在这些原子钟能够以如此高的精度运行之前，它们需要具有非常高的精度；换句话说，它们必须能够测量极小的几分之一秒。同时实现高精度和高精度可能会产生巨大的影响。
被困在时间里
新的JILA时钟使用一种称为“光学晶格”的光网来同时捕获和测量数以万计的单个原子。拥有如此庞大的合奏在精度方面提供了巨大的优势。测量的原子越多，时钟拥有的数据就越多，可以精确测量秒数。
极冷的锶原子气体被困在称为光学晶格的光网中。原子保持在超高真空环境中，这意味着几乎没有空气或其他气体存在。这种真空有助于保持原子的微妙量子态，而量子态是脆弱的。您在图像中看到的红点是用于创建原子陷阱的激光的反射。图片来源：K. Palubicki/NIST
为了实现新的破纪录性能，与以前的光学晶格钟相比，JILA研究人员使用更浅，更温和的激光“网”来捕获原子。这大大减少了两个主要的误差来源——捕获原子的激光的影响，以及当原子堆积得太紧时原子相互碰撞的影响。
研究人员在《物理评论快报》上描述了他们的进展。
在最小尺度上计时相对
“这个时钟非常精确，即使在微观尺度上，它也可以检测到广义相对论等理论预测的微小效应，”NIST和JILA物理学家Jun Ye说。“它突破了计时能力的界限。”
广义相对论是爱因斯坦的理论，它描述了引力是如何由空间和时间的扭曲引起的。广义相对论的一个关键预测是时间本身受到引力的影响——引力场越强，时间流逝得越慢。
这种新的时钟设计可以检测亚毫米尺度的相对论对计时的影响，大约是一根头发的厚度。将时钟升高或降低这个微小的距离足以让研究人员辨别出由重力效应引起的时间流的微小变化。
这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力可以显着弥合微观量子领域与广义相对论描述的大尺度现象之间的差距。
驾驭太空和量子进步
更精确的原子钟还可以实现更精确的太空导航和探索。随着人类进一步深入太阳系，时钟将需要在很远的距离上保持精确的时间。即使是计时中的微小错误也会导致导航错误，导航错误会随着您的旅行距离呈指数级增长。
“如果我们想在火星上精确着陆航天器，我们将需要比我们今天在GPS中拥有的时钟精确几个数量级的时钟，”Ye说。“这个新时钟是实现这一目标的重要一步。”
用于捕获和控制原子的相同方法也可能在量子计算方面取得突破。量子计算机需要能够精确地操纵单个原子或分子的内部属性来执行计算。控制和测量微观量子系统的进展极大地推动了这一努力。
通过冒险进入量子力学和广义相对论理论相交的微观领域，研究人员正在打开对现实本身基本本质的新理解之门。从时间流被引力扭曲的无穷小尺度，到暗物质和暗能量占据主导地位的广阔宇宙边界，这台时钟的精致精度有望照亮宇宙最深奥的一些奥秘。
“我们正在探索测量科学的前沿，”Ye说。“当你能够以这种精确度测量事物时，你就会开始看到我们迄今为止只能理论化的现象。”
参考资料：
“具有 8×10^-19 系统不确定性的时钟”，作者：Alexander Aeppli、Kyungtae Kim、William Warfield、Marianna S. Safronova 和 Jun Ye，2024 年 7 月 10 日，《物理评论快报》。 DOI：10.1103/PhysRevLett.133.023401