新的原子钟精确到可以测暗物质

美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家安德鲁·勒德洛(Andrew Ludlow)和他的同事们在比较了两个实验性镱原子光学晶格钟后，获得了一项新的原子钟性能记录。理论上，光学点阵钟在300亿年内会产生一秒钟的误差。

照片:伯勒斯/NIST

20世纪50年代，科学家们基于原子的微小振荡发明了原子钟。这是人类创造的最精确的计时装置。

有多准确？140亿年内的误差不应超过1秒(宇宙的年龄是138亿年)。原子钟的滴答率非常稳定，一天的不稳定性仅为3.2×10-19。

当然，对于日常生活中使用的时钟，它不需要那么精确，只是分针可以精确。然而，在科学研究等领域，时间必须精确到千分之一秒，甚至百万分之一秒。

把它做好只是开始。最新的原子钟足够精确，可以探测暗物质，测量引力波(时空曲线中的波纹)，并以前所未有的精度确定地球重力场的精确形状。

事实上，这些超精密的时钟可以帮助科学家探索宇宙的奥秘。

安德鲁·勒德洛说:“事实证明，如果你有这么高精度的测量设备，你就有了一台可以探索宇宙的显微镜。”

自20世纪60年代以来，原子钟首次使用铯原子的自然振荡作为钟摆来测量时间。手表的一秒钟只是一次点击，但对于铯原子钟来说，一秒钟意味着90亿次电子跃迁，相当于90亿次点击。

今天的镱原子钟振荡得快得多。它的原子振荡速度比铯原子钟快10000倍，相当于每秒500万亿次。

勒德洛说:“铯是一个开创性的原子系统，但它的性能发展已经到了极限。”镱原子钟可以缩短时间偏差间隔，提高测量精度。"

光学点阵钟的发明才15年，还处于发展阶段。科学家们不断地修正它们，并随着每次新的调整逐渐提高它们的精确度。

在最新的迭代中，大部分的改进归功于几年前由勒德洛集团开发的新的隔热功能。它可以保护镱原子免受热和电场的影响，从而防止它们的自然振荡受到影响。

他说:“我们想确保，当我们测量原子的滴滴答答的速率时，我们测量的是大自然赋予它的速率，它不会因环境影响而受到干扰或改变。”。

由于镱原子钟的高精度，它能够以前所未有的精度探测地球重力场的位移。

正如爱因斯坦的广义相对论所说，在引力场中的不同点，时间流逝的速度也是不同的。

例如，上升到山顶的时钟会比同一座山脚下的时钟快一点。

这不是机械错误。在山顶上，时间过得真快。

然而，大多数时钟不够精确，无法记录非常微小的差异。毕竟，在10年内，两个高度为1000米的时钟之间的差异只有3100万分之一秒。

目前，所需的重力图可以用其他更便宜的技术精确绘制，但勒德洛说，新的时钟可以检测1厘米高度的变化，这比以前精确得多。

此外，新的原子钟还可以用来探测暗物质，据信暗物质的含量是其他普通物质的五倍。

“尽管我们对暗物质知之甚少，但大多数理论都预测它会以某种方式与原子相互作用，从而影响时钟的滴答声。”

该团队正在进行进一步的测试，并希望使用镱原子钟来发现与LIGO观察到的引力波类型相同的引力波。

尽管这个新时钟的精确度令人难以置信，但它还远未达到极限。更多的维修已经开始。

根据techxplore编译的蝌蚪职员