更精確的秒,更同步的世界時:日意用宇宙信號比較兩地原子鐘

2020-12-08 澎湃新聞

一秒鐘的官方定義是什麼？乍一眼看上去可能一頭霧水：無幹擾情況下銫 133 原子（133Cs）基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的 9192631770 個周期所持續的時間。

但即使是如此精密複雜的定義，在新一代原子鐘的技術進步面前也不斷受到衝擊。目前,銫原子鐘能把8000萬年的誤差控制在1秒內,而鍶原子鐘的穩定度和準確度已提高了4-5個數量級。為了迎接更精確「秒」定義的到來，我們還需要更精確的手段對全世界的時鐘進行同步。

來自日本國家信息與通信技術研究所（NICT）、義大利國家計量研究所（INRIM）等機構的33位天文學家和時鐘專家首次利用射電望遠鏡觀測遙遠的恆星，將不同大陸上相距8700公裡的光學原子鐘連接起來，提出了一種維持全球時間同步的新方法。相關論文近日發表《自然·物理學》（Nature Physics）雜誌上。

INRIM量子計量和納米技術部分負責人Davide Calonico表示：「目前，新一代光學原子鐘正在推動大家重新審視秒的定義。這條路必須面臨的挑戰是，在洲際尺度上更好地比較全球時鐘。」

射電望遠鏡與原子鐘

我們都知道，一天有24小時，一小時有60分鐘，一分鐘有60秒。但在現實操作上可沒那麼簡單，地球的自轉速度並不像我們想的那樣一板一眼、節奏均勻。因此，人們逐漸把時間這個概念和頻率聯繫在一起。1660年，英國皇家學會提出，在地面表面，擺長1米的單擺一次擺動的時間約為1秒。

到了石英鐘時代，鍾內部有一個可以輸出特定頻率信號的石英晶振，也可以說這個晶振每秒鐘會產生特定次脈衝。所以數特定次脈衝，就算過了一秒鐘。

如此，我們再來看一遍原子鐘時代的一秒鐘的定義。銫 133 原子在吸收特定頻率的能量之後，就會從某一個能級躍遷到另一個能級。這個特定的頻率，就是一秒鐘「擺動」9192631770次。

從這個定義，我們也可以知道我們探測的頻率越高的話，得到的「秒」會更精確。隨著原子鐘從微波頻率進入到光學頻率，精度已經提高了5個數量級左右。

單個鐘是越來越準了，那如何保證世界各地的時鐘都「同步」地準呢？

相比起突飛猛進的原子鐘來，用以比較不同地區的原子鐘、從而計算得出民用國際時間UTC（協調世界時）的衛星鏈路卻顯得跟不上了。法國國際計量局時間部門的物理學家Gérard Petit表示，要充分利用光學原子鐘來生成協調世界時，必須改進全球時鐘的比較方法。

在這項新研究中，高能的銀河系外射電源取代了衛星鏈路，作為參考信號。這些信號來自於數十億光年之外的類星體，由重達數百萬倍太陽質量的黑洞驅動，從地球上看可以視作天空中的固定點。

為此，聯合團隊設計部署了兩臺特殊的射電望遠鏡，分別部署在日本和義大利，利用甚長基線幹涉測量（VLBI）技術保證兩者接收到的頻率信號之間的相位一致同步，從而將日本和義大利的兩個光學原子鐘實現連接。

值得一提的是，這兩個原子鐘的原子種類都不是銫。日本使用的是鍶，義大利使用的是鐿。它們都是未來國際單位制用以重新定義「秒」的候選原子。要知道，鍶、鐿原子的躍遷頻率比銫 133要高上3-4個數量級，在新一代冷原子和光學操縱技術的加持下，光鐘的精確度也大幅提高。

研究使用的射電望遠鏡天線盤直徑僅為2.4米，便於運輸。NICT的SEKIDO Mamoru團隊想借用這個實驗說明寬帶甚長基線幹涉測量不僅在地測和天文學方面十分有用，也在計量學上大有潛力。「在國際計量學界和地測學界的合作下，我們可以實現一個由甚長基線幹涉測量連接的全球光鍾網絡。」

當然，這樣精準的一秒鐘對於上班打卡沒有什麼意義，但在軍事、航天等領域富有價值。此外，這種全球基礎設施網絡也是研究基礎物理和廣義相對論的新工具，將助力探索地球引力場、甚至是物理基本常數的變化。

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