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世界上最精确原子钟诞生!精度再创纪录 将有助于绘制时空引力地图

北极蚊子 2018-11-29 15:47

最新研究显示,一对原子钟在稳定性和精确度方面创造了“前所未有”的性能记录。

研究人员称,这一破纪录的结果有助于提高计时和导航能力。

美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家表示,这两个时钟还将有助于引力、早期宇宙甚至暗物质的研究。

这些实验装置每个都把上千个化学元素镱的原子困在由激光束构成的栅格中。

在这些光学晶格中,原子通过在两个能级之间振动来“滴答”。

在发表在《自然》杂志上的研究中,NIST的物理学家比较了这两个独立的时钟,在系统不确定性、稳定性和可重复性方面取得了创纪录的成绩。

系统的不确定性测量了时钟如何表现原子的自然振动或频率。

研究人员发现,每个时钟的固有频率在误差范围内仅为十亿分之一的十亿分之一。

时钟的稳定性,即一天中频率的变化量,也被记录在极低的水平上。

结果的重现性,也就是两个时钟在相同频率上的滴答声有多近,再次显示出了不到十亿分之一的差异。

“系统的不确定性、稳定性和可重复性可以被认为是这些时钟性能的‘皇家同花顺’,”项目负责人安德鲁·勒德洛(Andrew Ludlow)说。

“这两个时钟的一致性达到了前所未有的水平,我们称之为可重复性,这或许是最重要的一个结果,因为它本质上要求并证实了另外两个结果。”

勒德洛先生说,时钟的总误差低于科学家们解释重力对时间影响的能力。

他说:“我们设想这样的时钟在全国或世界各地使用,它们的相对性能将首次受到地球引力影响的限制。”

根据著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的相对论,在引力更大的地方,时间过得更慢。

NIST的“超级灵敏时钟”的计时性能下降,因此,研究人员声称,NIST的这种时钟将有助于精确绘制时空引力扭曲的地图。

他们还认为,这将有助于探测来自早期宇宙的信号,比如神秘的暗物质。

镱原子钟还可以提高基于海平面测量来测量地球形状的能力。

放置在不同大陆上的设备可以将大地测量结果精确到一厘米以内。

镱原子是未来以光学频率重新定义秒(国际时间单位)的潜在候选者之一。

NIST的新时钟记录显示,与目前的标准铯原子相比,NIST的时钟精度提高了100倍。铯原子以较低的微波频率振动。

研究人员目前正在制造一种便携式镱晶格时钟,这种时钟可以被运送到世界各地的其他实验室进行时钟比较。

1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)确定,物理定律对所有非加速的观察者都是一样的,真空中的光速与所有观察者的运动无关——这就是著名的狭义相对论。

这项开创性的工作为所有物理学引入了一个新的框架,并提出了空间和时间的新概念。

他花了10年的时间试图将加速理论纳入其中,最终在1915年发表了他的广义相对论。

这就决定了大质量物体会在时空中造成扭曲,这种扭曲被感知为重力。

由于这种效应,任何靠近其的物体都会向它坠落。

爱因斯坦预言,如果两个巨大的天体相遇,它将在时空中产生如此巨大的涟漪,以至于在地球上应该可以探测到。

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