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精确度远超现有技术水平下一代光学原子钟可用于探测引力波

时间:2021-12-15 来源网站:台州化工机械网

英国《自然》杂志29日在线发表的一项物理学研究指出,下一代光学原子钟已经能比现有方法更精确地测量地球表面时空的引力扭曲。这一成果可用于探测引力波、检测广义相对论以及寻找暗物质。

时间的流逝并非绝对,而是取决于给定的参照标准。因此,时钟的测量很容易受到相对速度、加速度和重力势的影响。重力势增加会导致山顶的钟比地面的钟走得更快。为了对引力场中不同位置的钟进行比对,就需要一个共同的参照面。

原子钟的原理是利用原子周围电子从激光吸收能量,在高低能态间跃迁来计时。现有原子钟主要使用的是氢、铯和铷等原子,GPS系统主要使用的是同位素铯-133,但铯原子电子每秒只能移动90亿次,而锶原子内电子每秒移动速度接近1000万亿次,因此在制造精准原子钟方面更有潜力。

在美国实验天体物理学联合实验室工作的叶军带领团队一直潜心于锶原子钟的设计,并在2014年研制出当时世界最精准的光学锶原子钟,与铯原子钟3亿年会出现1秒误差的精度相比,将锶原子用激光囚禁成线性阵列的锶原子钟,其精度达到每150亿年(相当于宇宙年龄)才误差1秒,打破了当时的原子钟精确度纪录。此次新研究中,叶军团队再次打破纪录,将锶原子钟的精确度再提高了20%。他们将锶原子冷却到-273摄氏度,使得原子变成类似费米子的量子气体,其行为方式更像波动性,从而避免线性结构中原子间碰撞作用对时间测量精度的影响。

此次,美国国家标准与技术研究院(NIST)科学家威廉姆·麦克卢及其同事,根据三个基准表征了两个镱原子光晶格钟。科学家们报告称,以钟频为单位,系统不确定度为1.4×10-18,测量不稳定度为3.2×10-19,并能通过反复本地频率比对,达到不同钟频差为10-19量级的再现性。如此高的精确度,已经可以确保大地水准面测定的不确定度小于1厘米,远超过现有技术。

他说,LIGO的探测离不开材料、镀膜、隔震、激光、真空,超级计算机、数据分析等各方面研究人员的努力,其中中国科学家也做出了许多贡献。

“引力波是一个有着巨大潜力的学科,这一次的探测并不是终点,很有可能带来一批诺贝尔奖级别的发现。”胡一鸣说。

中国是全球第二大经济体。伴随经济高速增长,近年来,中国的科技创新水平也取得了长足进步,探月工程、高铁、大飞机等都是中国科技发展的标志。中国科研投入虽然不菲,但整体上还是偏重应用,对于发现引力波之类的基础研究投入相对不足。探测引力波项目等动辄需要投入几十亿甚至上百亿资金的重大基础研究项目,在中国还十分少见。

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