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NIST原子钟精度突破再次突破,可探索引力波和暗物质
2018-12-28
  [据美国国家标准与技术研究院(NIST)官网2018年11月29日报道]最近在NIST开展的测试中,实验性原子钟在三个指标上刷新了历史性能记录,这意味着可以帮助人类更精准地测量地球的引力以及检测难以捉摸的暗物质。

  NIST时钟由1000个镱原子组成,悬浮在激光束网格中。这些激光每秒“滴答”数万亿次,并反过来让这些原子像节拍器一样在两个能级上来回闪烁。通过对这些原子的测量可确保原子钟时间的精准性,在某些情况下每3亿年误差1秒钟。

  通过对比两个实验性原子钟,NIST科学家发现这些设备在系统不确定性、稳定性和可重复性三个指标中达到新的记录。相关研究成果发表在《Nature》杂志上,标题为《Atomic clock performance enablinggeodesy below the centimetre level》。

  系统不确定性指的是时钟刻度与其内部原子自然振动的匹配程度,NIST的研究人员发现,每个时钟都以与自然频率相匹配的速率进行滴答,可能存在的误差仅为1.4×10-18;稳定性是衡量时钟频率随时间变化的程度,NIST时钟一天的测量稳定性约为3.2×10-19;可重复性指的是两个原子钟保持同步的程度,通过对两个时钟进行10次比较,发现两个时钟的频率差低于10-18。
 
  项目负责人AndrewLudlow表示,系统不确定性、稳定性和可重复性可以认为是时钟的“皇家同花顺”。但可重复性是最关键的一项,因为它基本上要求并证实了另外两个因素。所展示的可重复性表明,时钟总误差低于目前所能计算出的地球上时间对引力的影响。因此,如果这样的时钟在世界各地使用,它们的相对性能将受地球引力效应的限制。

  爱因斯坦的相对论预测原子振动频率在强引力下观察时,会向电磁波谱的红端减小,也就是说,时间在较低高度下传递得更慢。虽然这会降低时钟的计时性能,但可以在头部测量得到同样的灵敏度,以精确地测量重力。超灵敏时钟可以更精确地映射时空重力失真,应用包括相对论大地测量(测量地球的引力形状)和检测来自早期宇宙的信号(如引力波甚至可能是尚未解释的暗物质)。

  NIST镱原子钟在测量大地水准面、基于潮汐测量海平面和地球形状方面已超越了传统能力,其测量精度可达到1 cm以内,优于当前的几厘米技术水平。研究人员表示,在过去十年NIST和全球其它实验室公布的新时钟性能记录中,《Atomic clock performance enablinggeodesy below the centimetre level》展示了高水平的可重复性。

  NIST最新的镱原子钟改进包括热和电屏蔽,主要围绕原子以保护其免受杂散电场的影响,使研究人员能更好地表征和纠正由热辐射引起的频移。就光学频率而言,镱原子是未来重新定义第二个国家时间单位的潜在候选者。NIST的新时钟记录符合国际重新定义路线图的要求之一,与基于当前标准铯原子的最佳时钟相比,经过验证的精度提高了100倍。

  NIST正在构建一种具有先进性能的便携式镱晶格时钟,可以将其传输到世界各地的其它实验室进行时钟比较,并可以运行到其它地点以探索相对论的大地测量技术。

  这项工作得到了NIST、美国国家航空航天局(NASA)和国防预先研究计划局(DARPA)的支持。(北京海鹰科技情报研究所 薛连莉)

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