首次達到小數點后18位：原子鐘比較測量精度創新高

　　原子鐘在基礎物理研究中有廣泛應用，但是頻率比的測量精度在近10年中幾乎沒有提升。本研究對27Al+,87Sr,171Yb組成的原子鐘網絡測量了頻率比，并得到了對超輕玻色子暗物質與標準模型場的潛在耦合的改進約束。該進展為移動、機載和遠程光學時鐘網絡奠定了基礎，這些網絡將用于測試物理定律并改善國際計時。

　　以更精確地方式定義我們的計量系統，最終能產生的效應往往是深遠的。2018年11月16日，在第26屆國際度量衡大會中，60個成員國代表投票通過了對一個重要的基本單位——千克的重新定義。在新的定義中，1千克等于普朗克常數乘以6.62607015×10+34m-2s。在那之后，科學家又將目光投向了時間的基本單位——秒。

　　在一項于近期發表在《自然》雜志上的研究中，美國國家標準技術研究所（NIST）的一個研究小組通過對三個原子鐘采用一種新的測量方法，朝著這個目標邁出了重要一步。

　　自古以來，許多不同的文化都發展出了各自計量時間的方法和設備。一個突破發生在17世紀，當時，荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯建造了第一臺擺鐘。固定長度的鐘擺總是以相同的頻率來回擺動，起到計時的作用。

　　到了18世紀，英國鐘表師約翰·哈里森（John Harrison）在惠更斯的想法的基礎上，進一步地對計時儀器做出了改進。他意識到更小的、頻率更高的振蕩器，可以帶來更穩定的共振，從而使鐘表擁有更加可靠的計時能力。

　　現在，許多鐘表采用一塊小小的石英晶體來作為振蕩器，它的形狀就像一個微型的音叉，振動頻率非常高，因此穩定性能非常好。在過去的一百多年里，石英鐘表在設計上并沒有太大變化，只是它們的價格變得更加便宜，可復制性也越來越強。最大的不同在于我們檢查石英鐘的方式。

　　在過去，石英鐘表的校正需要借助一些規律的天文現象；而現在，我們可以根據原子內部的自然振蕩來調節時鐘。

　　原子鐘最初由英國物理學家路易斯·埃森（Louis Esseb）創造的，它的工作原理是計算原子中的電子自旋的翻轉頻率。1967年，科學家通過銫-133原子在微波頻率下的跳動，重新定義了時間的基本單位——秒。自那之后，1秒就被定義為銫原子的電子自旋翻轉9192631770次的持續時間。這一定義一直沿用至今。

　　這是非常驚人的高精度，而這種精度有著至關重要的意義。比如以已經融入我們日常生活的全球定位系統（GPS）來說，每顆GPS衛星都攜帶一個原子鐘，而根據愛因斯坦的相對論，我們知道繞地球高速運行的衛星上的原子鐘的時間流逝，會稍慢于地面上的時鐘。如果沒有這種高精度的定義，我們就無法對這些微小的差異進行修正，GPS定位也就不可能實現。

　　不過，精益求精的科學家并不滿足止步于此，他們還在思考這樣一個問題：我們是否可以對秒做出更加精確的定義？

　　這個問題的答案，可以歸結于是否還可以提高振蕩器的頻率。就拿銫原子來說，它有著與微波相對應的自旋翻轉共振頻率；但有的原子則有著與比微波頻率還要高上百萬倍的可見光相對應的共振頻率。

　　在這篇于3月24日正式發表的研究中，NIST的研究人員描述了一種非常具有挑戰性的測量方法。在實驗中，他們使用了三種分別基于鋁離子（Al?）、鐿原子（Yb）、鍶原子（Sr）的光學原子鐘。他們將鋁離子鐘和鐿原子鐘置于NIST的不同實驗室里，將鍶原子鐘置于離NIST約1.5千米之外的JILA（美國實驗室天體物理聯合研究所）中。

　　實驗中的光學原子鐘不僅可以通過地下光纖連接起來，研究人員還利用一種超快激光器建立了一個長1.5千米的自由空間鏈路。這是首次利用空中鏈接將處于不同位置的最先進原子鐘連接起來的嘗試。

　　其實，NIST的研究人員在之前的一項研究中就詳細描述過，如何通過空中鏈接在鐿原子鐘和鍶原子鐘之間傳輸時間信號。他們發現，盡管空氣中有湍流的干擾存在，但這種傳輸信號的方式與使用地下光纖傳播信號的方法一樣好，其精確度是傳統的無線傳輸方式的1000倍。

　　在實驗中，他們測量了一個被稱為頻率比的量。光學原子鐘之間的頻率比測量是許多需要依靠這種非凡精度的應用的基礎，是評測光學原子鐘的一個重要指標。然而，頻率比測量的最高精度在近十多年來基本沒有變化。

　　現在，研究人員以不確定性小于8×10?1?的精度測量了三對（鐿-鍶，鐿-鋁，鋁-鍶）原子鐘的頻率比。換句話說，他們所測得的結果的誤差不超過0.000000000000000008，是迄今為止對自然常數進行的三個最精確測量結果。

　　為什么科學家希望能夠更精確的定義秒？其實，無論是對于實際應用還是基礎研究，更精確的原子鐘都將帶來無可估量的益處。除了我們前面提到的GPS技術之外，它還可以被作為探索新物理學的靈敏探測器，比如探測被認為構成了宇宙中大部分物質的“暗物質”，以及發生在遙遠太空中的由更小的天體并合所產生的極微弱的引力波；此外，更精確的時鐘還可以幫助我們更好地了解到地殼應力的變化，從而更好地預測如火山爆發等自然事件。

　　新研究中所涉及到的三種類型的光學原子鐘都無一例外地表現出了卓越的性能，并有望得到進一步改進。此外，新研究所進行的頻率比測量雖然得到了打破紀錄的結果，但研究人員認為還有提升的空間。現在，研究團隊正致力于提高測量的穩定性，朝著對秒進行重新定義這一目標前進。