曾几何时,戴一块机械表需要大约30秒的时间来调整,然后戴一块数字电子表,每天和每个月都需要几秒钟来调整,然后我买了一块石英表,虽然感觉不太错,但似乎要花一年半的时间来调整。直到最近买了一个智能手表,才知道自己原来也是这么个老习惯。我是个喜欢玩电子游戏的人,经常会因为忘记关机而感到后悔,觉得时间好像被遗忘了。现在用手机和电脑看时间,从来没有调整过,但有时还是觉得不舒服,总觉得时间不对。 其实这种感觉是非常正确的,电脑和手机在有网络的时候都会自动校准,误差是非常正常的,尤其是电脑,总是会发现时间不准确,但是现在这个问题似乎存在,或许自动校准更加以人为本。
我们生活中的时间大错特错并不重要,但在科学研究中,很多时候需要非常精确,比如GPS卫星系统,它每天积累1111的定位偏差,而不考虑相对论时间膨胀效应——变成地球轨道中的太空垃圾。因此,科学家们一直在研究精确的计时系统,例如铯原子钟,它利用电子发出的精确微波信号,将能量水平转换为使时钟计时至2000万年以内。
但是,这样的精确度仍然不足以满足人民日益增长的科学需求,美国国家标准和技术研究所的科学家们已经提出了最终NIST解决方案——至少目前是这样:将锶原子量(锶)气体压缩成三维光学晶格。
以前,最先进的原子钟在一维光栅中排列大量的原子,用可见光来控制时钟,这就造成了更多的时间振荡,理论上使用的原子数量越多,时钟就越精确。而现在利用光电效应制造出一种新的技术——光频率梳(OF),通过改变光源发出光的波长和相位,就可以使原子排列得更加有序。这种技术目前已经被广泛采用。但也存在一个问题,即原子越多,它们之间的相互作用就越多,抵消了精度的提高,而来自振动原子信号会变得更加模糊,量子力学效应也会在不知不觉中证明它们的力量。
每个锶原子在排列整齐的三维光学晶格中正好占有一个晶格,减少了原子相互作用对时钟精度的影响,而增加原子密度则提高了时钟精确度,使锶光晶格钟有可能同时质疑数百万个原子,在平均1小时内达到5X10^-19的测量精度。(3)目前世界上最快的铷原子晶体被称为'世界第一大铯原子晶体',其寿命为100万年左右。如果将这种晶体制成激光光源,那么每秒可以发出500万亿次光子。研究人员称,以前最精确的原子钟可以精确到每秒,误差为150亿年。即使你在等待另一个宇宙诞生,也要等待它失去一秒钟。最新的三维量子气体锶原子钟将这一精度提高了20倍。
那么,这个超精密时钟的意义是什么呢? 研究人员说, 它能帮助科学家发现更多关于宇宙的秘密, 例如,研究暗物质, 它们可以通过超精密时钟的时钟来探测;通过测量引力对时间的作用, 也能了解地球上生物如何适应太空环境。这听起来似乎有些不可思议,但是科学家却对此表示肯定。他们相信,如果这个系统能够很好地工作的话,人类将很快进入21世纪。 也许可以用一个更精确的时钟来制造一个桌面型引力波探测器,而不需要在桌子上摆上几公里长的探臂就能看到两个黑洞在几十亿光年之外合并所产生的时空波,甚至可以直接测量引力的微小变化,从而为广义相对论和量子力学相结合的量子引力理论创造有利条件。
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