世界最精準原子鐘3億年誤差不到1秒

2021-01-15 科學網

鍶原子鐘3億年誤差不到1秒

 

北京時間4月18日消息，據英國《每日電訊報》報導，美國和丹麥科學家日前聯合研製出一款迄今走時最為精確的原子鐘。這種時鐘的精度比當前的國際時區校準儀高出2倍以上，每3億年的誤差只有不到1秒。

 

研究人員聲稱，這種最新研製的原子鐘比當前國際時區校準系統和衛星系統所採用的計時器要精準2倍以上。這座鍶原子鐘現位於美國科羅拉多大學。與以往的其他原子鐘一樣，鍶原子鐘也是採用極其穩定的原子自然擺動原理進行計時。但是，科學家通過將鍶原子置放於一束雷射束中並將其冷卻到接近零下273攝氏度，他們就可以讓原子的擺動更加穩定。因為在零下273攝氏度下，所有物質都已經停止共振。現在，研究小組希望能夠在此基礎上更上層樓。「我們希望能夠將原子鐘的精度進一步提高。」

 

丹麥哥本哈根大學核物理學家簡-湯姆森與科羅拉多大學的研究人員共同參與了此項研究。湯姆森解釋說，「一個原子通常由一個原子核和數個電子組成，這些電子在以精確的軌道圍繞原子核進行運動。如果將一束雷射聚焦於原子之上，我們可以使得這些電子在運轉軌道之間以精確的線路來回擺動。這就是原子鐘的鐘擺原理。」儘管這種精確度的提升幅度可能僅僅是一秒的數分之一或是短短的一瞬間，但這一瞬間的改進卻在超遠距離測量等領域中有著極大的應用潛力。例如，在測量太空中兩個遙遠星系之間的距離時，一瞬間可能意味著很長的距離。

 

研究人員介紹說，1963年13屆國際計量大會決定，將銫原子Cs133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續的時間為1秒。這一時間定義一直延用至今。目前國際社會參照的時間是格林威治標準時間。在英國的格林威治天文臺，有一個國際標準時中心，通過天文觀察恆星，校準標準時鐘，作為世界標準時。石英的振蕩是衡定的，利用此原理制出了石英鐘，主要部件是一個很穩定的石英振蕩器。將石英振蕩器所產生的振蕩頻率取出來，使它帶動時鐘指示時間這就是石英鐘。在英國的格林威治天文臺，有一個國際標準時中心，通過天文觀察恆星，校準標準時鐘，作為世界標準時。此鍾設在一恆溫、恆溼、防震的地下室，目前的英國的格林威治天文臺石英鐘能準確到幾十年不相差一秒。

 

原子鐘是目前最為精密的計時儀器，常用銫原子的能級躍遷振動頻率來製造。對於大銫鐘這樣的超級精準時鐘，世界上只有少數幾個國家的時頻實驗室擁有，而且，有的還不能長期可靠地工作。但是，對於世界上大多數沒有大銫鐘的實驗室也可以有自己的時間尺度。其方法是：用多臺商品型銫鐘構成平均時間尺度。通常情況下，一個實驗室的小銫鐘數量越多，那麼其時間尺度的穩定性就越好。有了這樣高穩定度的時間尺度，也可以滿足國防、科研和航天等方面的急需。

 

人類對時間測量的精度一直在不斷提高。1350年，第一座機械鬧鐘誕生在德國。1583年，伽利略發現單擺的擺動周期與振幅無關，這是時鐘歷史上的一大進步。1656年，荷蘭天文學家、數學家惠更斯提出了單擺原理並製作了第一座自擺鐘，從此，時鐘誤差可以秒來計算。到1762年，最好的機械錶已經能夠達到每3天才差1秒鐘的精度，但在航空、航海和物理學研究領域還需要更精確的計時。1945年，美國紐約哥倫比亞大學物理學家拉比提出用原子束磁共振技術來做原子鐘的概念。

 

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