脉冲星是世界上最准确的时钟(美国研制出迄今为止最精确的时钟)(1)

美国研制出最精确时钟

美国科学家已经研究出了迄今为止最精确的时钟,它们使用量子气体计时。

说声“你好”只要一秒的时间,每秒钟会发生很多事情。

每秒钟,地球有761吨二氧化碳排放到地球的大气层;每秒钟,光子跑了30万公里。

一秒钟究竟有多长时间?物理学家苦苦追寻这个问题的答案。德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯(1777 – 1855)提出,一秒钟是一个太阳日的86400分之一。

直到20世纪50年代,科学家们才知道,地球运动存在不规则性,高斯对秒的定义不够精确。

1967年,第13届量度大会(CGPM)将秒定义为“不受外场干扰的铯-133的原子基态的两个超精细结构能级间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。”,简而言之,一秒就是铯-133原子在两个能态之间转变的时间。

量子气体钟

这种3D量子气体原子钟由三对激光光束形成一个网格。不同颜色的多个激光器用来冷却原子,将原子困在光格当中,并探测它们的时钟振荡。将大量的原子完全固定,这种立方量子气体时钟设置值称为“质量因子”(quality factor),它们能够的测量时间精度。这套时钟在非常长的时间内保持纯净稳定的运行,从而达到更高的计时精度。

脉冲星是世界上最准确的时钟(美国研制出迄今为止最精确的时钟)(2)

费米气体

该技术的核心是一种不寻常的物质状态,称为“费米气体”(Fermi gas,费米粒子的量子气体),由美国科学家Deborah Jin于1999首次提出。量子气体的使用可以使所有原子的性质第一次量子化,或者限制为特定的数值。三维量子气体钟最重要的潜力是放大了原子序数的能力,这将导致稳定性的巨大提升。

之前的原子钟把每一个原子看作一个单独的量子粒子,原子间的相互作用会造成测量问题。三维量子气体钟有效地避免了原子之间的相互作用。由于原子数大,相干时间长,新的3D量子气体原子钟可以达到比之前1D原子钟20倍以上的精度。

科学界不遗余力的提高原子钟的精确度是有原因的,因为原子钟来一直在推动测量科学的发展,不仅在计时和导航方面,而且在其他测量领域,原子钟都是必需的工具,寻找宇宙中的“暗物质”也离不开原子钟。

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