“一秒鐘”到底有多久？_風聞

 

編譯／雷鑫宇  審稿／alone  責編／唐林芳

研究人員開發的新型超精密光學原子鐘已經通過關鍵測試，或可用於SI秒的重新定義。

得益於光學原子鐘，“一秒”的定義可以更精確了。

phys.org網站4月11日報道，研究人員測定了新型光學原子鐘的性能，其精確度打破了此前的紀錄。這一成果意味着新一代光學原子鐘已經非常精確和穩定，這對重新定義“一秒鐘”的官方長度有重要意義。

目前，官方定義的“一秒鐘”是基於微波原子鐘的結果。項目領導人之一、美國國家標準和技術研究院（NIST）研究人員Andrew Ludlow説：“對‘一秒鐘’進行更準確的定義以及開發更好的計時系統，對通信和導航系統的發展很關鍵。此外，準確的計時系統還能為探索未知的物理現象提供更精確的測量結果。”

相關研究成果刊登於《光學設計》雜誌。Ludlow補充説：“光學時鐘可能具有更高的精確度，但要超出當前‘秒’定義的限制，證明這些計時裝置的真正準確性，就必須直接對各種類型的光學時鐘進行高質量比較。”

時鐘的工作原理是：計算具有已知頻率的重複事件，例如鐘擺的擺動。對於傳統原子鐘而言，銫原子的自然振盪是週期性事件，其頻率位於電磁頻譜的微波區。

銫原子鐘

1967年以來，國際單位制（SI）將秒定義為由這些振盪產生的微波信號的9192631770個週期中所經歷的時間。光學原子鐘使用的原子一般是鐿和鍶，其振盪頻率大約是微波頻率的10萬倍，處於電磁譜的可見區域。

頻率更高的光學時鐘比微波原子鐘走得更“快”，這使得它們隨着時間的推移更為精確和穩定。研究人員Tara Fortier解釋説：“光學時鐘測量的頻率越高，通常越容易降低環境對原子的影響。這一顯著優勢有望使緊湊型光學時鐘系統的開發成為現實。這類系統可在非常廣泛的應用環境中保持高性能。”

為了證實光學時鐘記錄的時間與當前使用的標準銫原子鐘的記錄值是匹配的，研究人員將NIST的鐿光學原子鐘的頻率轉換到微波區域，並將其與全球銫原子鐘的數據進行了比對。他們發現，鐿光學時鐘頻率測量的不確定度為2.1×10-16，這大致相當於在宇宙年齡（140億年）中損失了100秒。這一結果創造了光學時鐘的銫參考測量值的新準確度紀錄。

儘管光學時鐘非常精確，但由於其技術複雜性和原型設計，它們往往會經歷明顯的停機時間。NIST的研究人員使用了8個氫微波激射器來記錄光學時鐘不工作時的時間。氫微波激射器雖然可以可靠地記錄時間，但精度有限。研究人員Tom Parker説：“氫微波激射器的可靠性是我們能夠進行精確比較的原因之一。”Parker等在8個月內進行了79次測量，進一步降低了不確定性。

為了更好地理解光學時鐘的侷限性，研究人員計劃將本研究中使用的鐿光學時鐘與NIST正在開發的其他類型的光學時鐘進行比較。最終，通過比較NIST的時鐘和其他國家的光學時鐘，確定出哪種類型的時鐘最適合重新定義SI秒。

研究人員指出，重新定義“一秒鐘”可能還需要好幾年的時間。即使新標準發生了變化，應用新標準也需要做好全球的協調工作，以保持時間的穩定性和準確性。

來源：《光學設計》

期刊編號：2334-2536

原文鏈接：

https://phys.org/news/2019-04-super-accurate-optical-atomic-clocks-critical.html

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