可移動光學(xué)晶格時鐘讓時間變得更加精確

Dana Mackenzie

Senior Technology Writer

在所有的物理學(xué)單位中，一秒鐘也許是最神秘的。與一米不同，我們看不見它。與一千克不同，我們握不住它。與一伏特不同，我們感知不到它。

然而，秒是我們擁有的最精確的量化單位[1]。2020年，研究測量的計量科學(xué)家宣布了首個可將測量時間精確到小數(shù)點后18位的可移動時鐘。從這個角度來看，自宇宙大爆炸以來以這種精度運行的時鐘，其損失或增加的時間不到半秒。

在2020年4月出版的《自然·光子學(xué)》雜志上，東京大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授Hidetoshi Katori和他的6位同事一起介紹了他們?nèi)绾斡眠@個時鐘來測試阿爾伯特·愛因斯坦對時間膨脹的預(yù)測。對于地面時鐘而言，此次預(yù)測精度是有史以來最精確的[2]。愛因斯坦的預(yù)測通過了檢驗。更重要的是，Katori領(lǐng)導(dǎo)團隊設(shè)計出更精確的時鐘，并且通過了可移動性測試。這種時鐘可以成為下一代原子時鐘的衡量標(biāo)準(zhǔn)[3]，其可移動的能力大大提高了它們的實用性。

自1967年以來，科學(xué)家一直使用量子物理學(xué)領(lǐng)域/ 學(xué)科中關(guān)于秒的定義。當(dāng)銫原子被激光激發(fā)時，發(fā)射的光波頻率為9 192 631 770 Hz [3,4]。這不是一種測量，而是一種定義，它將銫原子鐘作為時間校準(zhǔn)的仲裁器，而銫原子鐘是世界上越來越多的數(shù)字技術(shù)所依賴的基礎(chǔ)。盡管它們質(zhì)量上乘且測量高效，但是目前最先進的銫原子鐘測量的時間最多也只能精確到小數(shù)點后16位，這主要是因為很難測量循環(huán)小數(shù)。

在21世紀(jì)初，Katori開始研究一種更精確的時鐘技術(shù)，稱為光學(xué)晶格時鐘。這些時鐘使用鍶原子發(fā)射可見光，而不是微波輻射，因此被稱為光學(xué)時鐘。它們的優(yōu)點是可見光具有更高的頻率，即429 288 004 229 873.0 Hz [1]。請注意，這個數(shù)字有16 位。測量受到定義時間秒的長度的銫原子鐘精度的限制。有了鍶原子鐘，我們可以將時間再精確到小數(shù)點后兩位。這一進步是源于時鐘可以同時詢問數(shù)千個鍶原子，這些鍶原子被困在晶格（也就是光學(xué)晶格）中。鑒于統(tǒng)計學(xué)原因，如果誤差源是隨機噪聲，則N次測量可將誤差減小N倍。盡管精度提高不大，但在計量學(xué)中，精度就是一切。

在整個20世紀(jì)90年代里，單離子鐘是最有前景的下一代時鐘技術(shù)，其電場將一個帶電荷的原子固定在原位。這是諾貝爾獎得主Hans Dehmelt和Wolfgang Paul發(fā)明的技術(shù)[5,6]。單離子鐘具有幾個優(yōu)點。位于德國倫瑞克國家計量研究所的光學(xué)晶格工作組負責(zé)人Christian Lisdat表示：“離子位置很好，這樣你就不會受到多普勒效應(yīng)的影響。因為多普勒效應(yīng)是光學(xué)領(lǐng)域的一大敵人，會給出錯誤的頻率?！?/p>

然而，Katori故意選擇了一種未經(jīng)驗證的技術(shù)。他將他的團隊在日本的研究與Charles Darwin在加拉帕戈斯群島的研究進行了對比，這遠非科學(xué)的主流。Katori說：“對于我們來說，這是一種理想的情形，我們可以集中精力進行新的努力，同時不被其他人的工作所困擾。我們的‘加拉帕戈斯群島’隔離使得原子鐘以與世界其他地方不同的方式發(fā)展進化。”

圖1. Katori教授蹲坐在兩個可移動的光學(xué)晶格原子鐘之一的旁邊，圖中的這個是位于東京晴空塔頂部的原子鐘（見圖2），另一個在塔底部。這個塔利用時鐘的能力來測量秒（精確到小數(shù)點后18位），這項實驗測試了阿爾伯特·愛因斯坦對時間膨脹的預(yù)測，該原子鐘是有史以來最精確的地面時鐘[2]。東京大學(xué)的Katori和他的同事制造的每一個可移動時鐘都由三個盒子組成，總體積約為1 m3。圖片來源：由Katori提供。

圖2. Katori教授和他的同事把一個時鐘放在東京450 m高的晴空塔頂部，另一個放在底部，成功地測試了可移動的鍶原子鐘的精度[2]。圖片來源：Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）。

在光學(xué)晶格時鐘中，鍶原子被激光捕獲并固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ欢?，這是一個非常微妙的操作。Lisdat說：“當(dāng)激光與原子相互作用時，它會在原子想要到達的位置產(chǎn)生一個凹坑，”但這個凹坑非常淺，這意味著原子必須被冷卻到千分之幾開爾文。還有一個更大的挑戰(zhàn)，即在能量場中形成的凹坑會改變鍶原子內(nèi)部的電子的能級。換言之，將原子固定在適當(dāng)位置的行為會改變你試圖測量的量子躍遷的大小。

但是Katori和他的同事找到了一個巧妙的解決方案。發(fā)射光的頻率是由鍶原子內(nèi)兩個能級之間的差異決定的。通過仔細調(diào)整產(chǎn)生凹坑的激光頻率，Katori以相同的量改變了這兩個能級，從而消除了兩種差異。Lisdat聲稱：“它被稱為‘神奇波長’是有明顯原因的，你不僅無法改變頻率，而且還會落入陷阱。”

光學(xué)晶格時鐘技術(shù)于2003年獲得首次展示，現(xiàn)在與單離子鐘一樣先進。Katori表示：“全世界有將近20個研發(fā)鍶原子鐘的組織，這些組織是推動重新定義秒的重要力量。”

然而，如果你只能將時鐘同步到16位精度，那么18位精度將會被浪費。這是目前衛(wèi)星技術(shù)的局限，因為它們使用銫原子鐘來計時。光纖技術(shù)更好，但它只能在中等距離范圍內(nèi)工作。歐洲的時鐘可以互相同步，但美國的時鐘卻不能。

Katori的最新發(fā)明是一個可移動的鍶原子鐘。以前所有的光學(xué)晶格時鐘都是房間大小的儀器，需要龐大的激光和冷卻設(shè)備。在最近的研究中，Katori將整個包裝減為三個盒子，總體積大約為1 m3（圖1）[2]。為了使它們能夠抵抗實驗室外的振動，他的團隊將激光器焊接在合適的位置，并取消了所有的調(diào)節(jié)旋鈕。該儀器是通過互聯(lián)網(wǎng)控制的。一個相當(dāng)具有創(chuàng)意的想法是：使用一個隔熱的“詢問室”（interrogation chamber），將被捕獲的鍶原子與周圍環(huán)境產(chǎn)生的黑體輻射隔離。鍶原子首先被兩個激光器以“神奇頻率”（magic frequency）囚禁在屏蔽室外面的一個光學(xué)晶格中，然后通過使其中一個激光器稍微失諧而逐漸將鍶原子移動到該室中。這就像把患者推進計算機軸向斷層（CAT）掃描儀一樣。英國量子技術(shù)中心傳感器與時間中心首席研究員、英國伯明翰大學(xué)工程與物理科學(xué)學(xué)院創(chuàng)新主任Kai Bongs教授稱：“這是一項絕對令人著迷的技術(shù)成就?！?/p>

Katori團隊將其中一個時鐘放在東京450 m高的晴空塔的頂部（圖2）[2]，把另一個放在晴空塔底部。在這些不受控制的非實驗室條件下，他測量了塔頂一秒鐘和塔底一秒鐘之間的差。愛因斯坦的相對論預(yù)言，由于時間膨脹效應(yīng)，鍶原子光在塔底的頻率應(yīng)該比在塔頂?shù)念l率低21.18 Hz，這種效應(yīng)假設(shè)越靠近地球中心，時間就越慢。依靠時鐘的18位小數(shù)的測量精度和堅固耐用的設(shè)計，Katori的時鐘所測量的結(jié)果與愛因斯坦相對論預(yù)言的結(jié)果高度切合。

如果成本和可移動性能夠得到足夠的改善，那么可以在每一顆全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星上安裝一個鍶原子鐘以取代銫原子鐘。但這不太可能很快實現(xiàn)。然而，如果真的發(fā)生了，GPS衛(wèi)星的時鐘可以與18位小數(shù)的精度同步，這就為許多新的應(yīng)用開辟了道路。在那之前，可以利用簡單、老式的方式通過把時鐘帶到不同的地方實現(xiàn)時鐘在地面上的同步。

新時鐘還有其他潛在的應(yīng)用，如測量海平面的上升或火山的擴張（正準(zhǔn)備噴發(fā)）。Katori說：“使用現(xiàn)有技術(shù)無法在100 km的長距離范圍內(nèi)或短于幾小時的時間內(nèi)以厘米為單位精確測量高度?！崩眯碌臅r鐘，科學(xué)家可以通過檢測時間膨脹來測量高度差，這種方法被稱為計時大地測量技術(shù)（chyonometric geodesy）。Lisdat表示：“這是我最喜歡的應(yīng)用之一。很多人問我，10-18秒的準(zhǔn)確度的意義。擁有關(guān)于我們對地球所做的事情的可靠信息，就很有價值?！?/p>