隨著科學(xué)家在六個(gè)國(guó)家以破紀(jì)錄的精度比對(duì)時(shí)間，光學(xué)原子鐘的性能已超越銫原子鐘標(biāo)準(zhǔn)。

時(shí)間一直由銫原子的振動(dòng)來(lái)定義。但隨著現(xiàn)代物理學(xué)不斷突破精密測(cè)量的極限，科學(xué)家們正著手改寫規(guī)則。

上個(gè)月，來(lái)自歐洲和日本的69位科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)完成了有史以來(lái)規(guī)模最大、協(xié)調(diào)性最強(qiáng)的一次光學(xué)原子鐘比對(duì)。這使世界距離用一種精確得多的新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)重新定義“秒”更近了一步。

這項(xiàng)歷時(shí)45天、跨越芬蘭、法國(guó)、德國(guó)、意大利、英國(guó)和日本六國(guó)的努力，通過衛(wèi)星信號(hào)和超穩(wěn)光纖連接將10臺(tái)光學(xué)原子鐘聯(lián)網(wǎng)。

邁向新時(shí)代的滴答聲

他們共同進(jìn)行了38次頻率比值測(cè)量，結(jié)果展現(xiàn)出前所未有的高度一致性。其中四次比較是首次直接進(jìn)行，證明了未來(lái)建立全球光學(xué)時(shí)間尺度的可行性。

“這些測(cè)量提供了關(guān)鍵信息，告訴我們光學(xué)原子鐘要達(dá)到用于國(guó)際時(shí)間計(jì)量所需的精度和可靠性，還需要做哪些工作，”意大利國(guó)家計(jì)量研究院（INRiM）的高級(jí)研究員馬爾科·皮佐卡羅說(shuō)。

“我們的實(shí)驗(yàn)還展示了如何將遍布?xì)W洲的光學(xué)原子鐘聯(lián)網(wǎng)，以最先進(jìn)的精度測(cè)量頻率比值。這創(chuàng)建了一個(gè)分布式實(shí)驗(yàn)室，也可用于進(jìn)行基礎(chǔ)物理測(cè)試，例如搜尋暗物質(zhì)或檢驗(yàn)物理學(xué)基本規(guī)則?！?/p>

光學(xué)原子鐘是先進(jìn)的原子鐘，它利用激光觸發(fā)原子中精確的能量躍遷。這些躍遷發(fā)生在極其精確的頻率上，充當(dāng)標(biāo)記時(shí)間的超穩(wěn)定“滴答聲”。

這些“滴答聲”比目前用于定義協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的銫原子微波鐘更為精確。

銫原子鐘每1億年可能偏差1秒，而當(dāng)今最好的光學(xué)原子鐘即使在數(shù)十億年后也不會(huì)丟失或增加1秒。

由于不同的光學(xué)原子鐘使用不同的原子，要充分發(fā)揮其潛力，就需要在極遠(yuǎn)距離上對(duì)它們進(jìn)行比較，以確保一致性和準(zhǔn)確性。

“同時(shí)比較多臺(tái)時(shí)鐘，并使用不止一種連接技術(shù)，所提供的信息遠(yuǎn)超過迄今為止主要進(jìn)行的成對(duì)時(shí)鐘比對(duì)，”芬蘭VTT MIKES的高級(jí)科學(xué)家托馬斯·林德瓦爾說(shuō)。

“通過一套協(xié)調(diào)的測(cè)量方案，就有可能進(jìn)行一致性檢查，同時(shí)也提供更可信的結(jié)果。這些結(jié)果有助于確定在新的秒定義中應(yīng)該使用哪臺(tái)（或哪些）光學(xué)原子鐘?！?/p>

科學(xué)同步秒

該項(xiàng)目依靠多種技術(shù)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)跨國(guó)時(shí)鐘聯(lián)網(wǎng)。GPS衛(wèi)星信號(hào)提供了全球連通性，但由于信號(hào)噪聲、大氣干擾和設(shè)備限制等因素，其精度有限。

為獲得更高的精度，研究人員還采用了定制的光纖鏈路，使得測(cè)量精度比基于衛(wèi)星的方法高出100倍。這些超穩(wěn)連接被用于鏈接法國(guó)、德國(guó)和意大利的時(shí)鐘。

此外，在英國(guó)和德國(guó)國(guó)內(nèi)，同一機(jī)構(gòu)內(nèi)擁有多臺(tái)時(shí)鐘，研究人員使用了短程光纖進(jìn)行比較，進(jìn)一步降低了不確定性并提高了測(cè)量穩(wěn)定性。

研究人員表示，該實(shí)驗(yàn)需要極其周密的規(guī)劃，并且在數(shù)據(jù)分析階段面臨重大挑戰(zhàn)。

“并非所有結(jié)果都符合我們的預(yù)期，我們?cè)跍y(cè)量中觀察到了一些不一致性，”英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）的首席科學(xué)家雷切爾·戈頓說(shuō)。

“然而，一次性比對(duì)如此多的時(shí)鐘，并使用不止一種時(shí)鐘連接技術(shù)，使我們更容易識(shí)別問題的根源?！?/p>

國(guó)際單位制（SI）中對(duì)秒的重新定義預(yù)計(jì)將在2030年完成。

該研究成果已發(fā)表在《光學(xué)》期刊上。

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