140亿年内误差不超过1/10秒 原子钟让计时精度走向极限(2)

　　1945年，美国哥伦比亚大学物理学教授伊西多·拉比提出，可以用他在上世纪30年代开发的原子束磁共振技术制作钟表；1949年，美国国家标准技术研究院（NIST）的前身美国国家标准局公布了世界上第一个使用氨分子作为振动源的原子钟；1952年，NIST宣布了第一个使用铯原子作为振荡源的原子钟NBS-1。

　　1955年，英国国家物理实验室制造了第一个用作校准源的铯钟。1967年，第十三届度量衡大会基于铯原子的振荡定义了1秒时间，从那时起全球计时系统抛弃了天文历书时，进入了原子时时代。1968年建成的NBS-4是当时世界上最稳定的铯原子钟，并在上世纪90年代被用作NIST授时系统的一部分。

　　NIST最新的铯原子钟NIST-F1能够将时间精度保持在每年约300亿分之一秒，这是NIST建造的一系列铯钟中的第8个，也是NIST第一个以“喷泉”原理工作的铯钟。

　　通常原子钟是用激光把数千个原子关在一个光学“陷阱”里，然后用另一种频率与被测原子振动频率相似的激光探测它们。

　　将原子以经典物理学定律不可能的方式关联在一起，使科学家能够更准确地测量原子的振荡。麻省理工学院的研究小组认为，如果原子被纠缠，它们的单个振荡将在一个共同的频率附近收紧，与不被纠缠相比，偏差较小。因此，原子钟可以测量的平均振荡将具有超出标准量子极限的精度。

　　研究人员纠缠了约350个镱原子，该元素每秒比常规原子钟所使用的铯原子的振荡频率高10万倍。该小组使用标准技术冷却原子并将其捕获，困在由两个反射镜形成的光学腔中。然后，他们通过激光腔发出激光，使其在反射镜之间反射，与原子反复相互作用并纠缠它们。

　　通过这种方式，研究人员将原子纠缠在一起，然后使用类似于现有原子钟的另一激光来测量其振荡的平均频率。与不纠缠原子的类似实验相比，他们发现带有纠缠原子的原子钟达到了所需精度的4倍。

　　既有助于解码宇宙又能服务生活

　　与生活中常见的闹钟、手表等计时器不同，我们在日常生活中很难一窥原子钟的真面目。事实上，原子钟既高大上又接地气。说它高大上，是因为它或许能帮助解码宇宙中神秘莫测的信号；说它接地气，是因为如果没有它的帮助，手机上的导航就会把你带偏不止一点点。

　　卫星定位系统都是通过获得卫星和用户接收机之间的距离来计算的，而距离等于传播时间乘以光速，因此精确的距离测量实际上就是精确的时间测量。没有高精度的时频，卫星导航定位系统就不可能实现高精度的导航与定位。所谓失之毫“秒”谬以千里，这正是原子钟大显身手的地方。

　　由于引力会影响时间的流逝，因此距离海平面更近的时钟实际上比珠穆朗玛峰上的时钟慢一点，这意味着物理学家可以使用原子钟来测定地球的形状、大小和地球重力场等，这是一个被称为大地测量学的科学领域。

　　为了提高测量精度，天文学家已开始将设施同步到单个精确的时间标准。这种同步会改善被称为超长基线干涉法的天文成像技术，该方法涉及多个天文台协同成像一个原本无法用单个望远镜分辨的物体。例如，天文学家今年早些时候使用这种技术拍摄了黑洞的第一张图像。更好的时间同步将可以实现更高分辨率的成像，因此也需要原子钟来帮忙。

　　此外，如果原子钟能够更准确地测量原子振荡，那么它们将足够灵敏以检测诸如暗物质和引力波之类的现象。有了更好的原子钟，科学家还可以开始回答一些令人费解的问题，例如重力对时间的流逝可能产生什么影响，以及时间本身是否随着宇宙的老化而改变。

【编辑:卞立群】