“滴答、滴答。”對(duì)好多人而言，呼吸間就是一秒；表盤上時(shí)針走一步就是一秒。
但在科學(xué)上，秒的精度遠(yuǎn)不止于此。
日前，日本國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組通過空氣和光纖鏈路，以迄今最高的確切度比較了基于鋁、鍶、鐿的3種原子鐘。研究結(jié)果朝著更精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)秒定義的目標(biāo)邁出了重要一步。
這項(xiàng)工作首次比較了3個(gè)基于不同原子的時(shí)鐘，也是第一次將不同位置的原子鐘隔空相連。3月25日，相關(guān)論文刊載于《自然》。
“這些發(fā)覺向秒的重新定義邁近了一步，并有助于找尋宇宙中無法飄忽的組成部份——暗物質(zhì)。”未參與該研究的美國特丁頓國家化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Godun在同期發(fā)表的觀點(diǎn)文章中寫道。
哪些是秒
遠(yuǎn)古時(shí)代，人們對(duì)時(shí)間的參照來始于太陽。日出而作、日落而息，月球自轉(zhuǎn)為人們提供了時(shí)間判定標(biāo)準(zhǔn)，這些時(shí)標(biāo)被稱為“平太陽時(shí)”，也叫“世界時(shí)”。
漸漸地，人們開始對(duì)時(shí)間進(jìn)一步細(xì)分，秒出現(xiàn)了。最初，人們利用天文觀測(cè)得到月球自轉(zhuǎn)的平均周期（下月長），之后細(xì)分成86400份，從而得到秒長。這也是天文秒。
20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家發(fā)覺，因?yàn)榧竟?jié)性氣流和洋流的運(yùn)動(dòng)，月球自轉(zhuǎn)有周期性變化。于是，人們開始提出新的計(jì)時(shí)方式——原子時(shí)。1948年，澳洲制造出世界上第一臺(tái)原子鐘。
原子鐘就是以原子中電子的震動(dòng)為振子的時(shí)鐘，其中以光波段的電子震動(dòng)為振子的時(shí)鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。原子鐘的確切度使其成為計(jì)時(shí)和其他精確檢測(cè)的極佳工具。這是由于原子會(huì)在特定頻度發(fā)射和吸收光子，這個(gè)過程基本不受環(huán)境誘因干擾。
1967年，國際計(jì)量會(huì)議決定用原子秒代替天文秒，秒長定義是堿金屬銫133核素能級(jí)兩個(gè)超精細(xì)基態(tài)之間躍遷幅射的個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間間隔。1958年1月1日零時(shí)零分零秒成為“原子時(shí)”的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，并與“世界時(shí)”重合。
1972年，實(shí)驗(yàn)室型銫原子基準(zhǔn)鐘即將成為復(fù)現(xiàn)秒定義的手段。
此前，科學(xué)家曾演示過頻度確切度達(dá)小數(shù)點(diǎn)后18位的原子鐘，超過了目前用于定義秒的銫原子鐘。不過，想要獲得更確切的秒定義，就必須對(duì)這種原子鐘進(jìn)行比較。迄今為止，使用不同種類原子的鐘，頻度比值的最高檢測(cè)確切度能把檢測(cè)不確定度降到小數(shù)點(diǎn)后17位。
“我們須要對(duì)這種光學(xué)鐘進(jìn)行測(cè)試原子物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，以確認(rèn)它們的工作精度達(dá)到我們?cè)u(píng)估的水平。當(dāng)我們旨在于最終基于光學(xué)時(shí)鐘重新定義國際原子鐘時(shí)，同樣的頻度比值可以由世界各地的其他團(tuán)體測(cè)量到。”該研究通信作者、NIST化學(xué)學(xué)家DavidHume在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。
布署天羅地網(wǎng)
Hume和朋友布署了一個(gè)由3種原子鐘組成的網(wǎng)路，并比較了它們?cè)?017年11月至2018年6月間各自的頻度比值。這種原子鐘分別放置在弗吉尼亞州博爾德市各個(gè)地點(diǎn)的主樓里。
這種原子鐘是NIST不同實(shí)驗(yàn)室的鋁離午時(shí)鐘和鐿晶格時(shí)鐘，以及坐落1.5公里外JILA（NIST和佛羅里達(dá)學(xué)院的聯(lián)合研究所）的鍶晶格時(shí)鐘。
Godun告訴記者，世界上最好的光學(xué)鐘包括NIST的鋁離子和鐿時(shí)鐘，以及JILA的鍶時(shí)鐘。所有3個(gè)時(shí)鐘的檢測(cè)頻度恐怕偏差在1018分之2或更小。
但檢測(cè)工作面臨前所未有的挑戰(zhàn)——這3個(gè)原子鐘以迥然不同的頻度“滴答”，因而所有的網(wǎng)路組件都必須以極高的精度運(yùn)行，無線聯(lián)接也須要尖端的激光技術(shù)和設(shè)計(jì)。
“所有這種時(shí)鐘都經(jīng)過了多年的不斷改進(jìn)和評(píng)估。構(gòu)建原子鐘網(wǎng)路面臨的主要挑戰(zhàn)之一是將原子鐘組合在一起，并讓它們同時(shí)以高確切度運(yùn)行。為了使檢測(cè)成為可能，我們采用了3個(gè)光學(xué)時(shí)鐘、許多相位穩(wěn)定的光鏈路（包括一個(gè)自由空間的光鏈路）和皮秒頻度光梳。”Hume說。
其中，空中光鏈路的關(guān)鍵是光梳的使用，前者可以精確地比較不同的頻度。研究人員開發(fā)了單向傳輸方式，雖然在大氣紊流和實(shí)驗(yàn)室震動(dòng)的條件下，也可以在空中精確地比較光學(xué)時(shí)鐘。該研究也是第一次用基于梳狀結(jié)構(gòu)的訊號(hào)傳輸技術(shù)比較最先進(jìn)的原子鐘。
自1967年以來，秒的定義基于銫原子在微波頻度下的跳動(dòng)。新研究中使用的原子鐘以更高的光學(xué)頻度滴答發(fā)顫，這些頻度將時(shí)間分成了更小的單位，進(jìn)而提供了更高的精度。
精確到小數(shù)點(diǎn)后18位
該研究比較獲得的檢測(cè)精度范圍可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后18位，這是頻度比值不確定度首次大于小數(shù)點(diǎn)后17位。
具體而言，光纖和空中無線鏈路的不確定度都只有1018分之6到8。并且，所有3類原子鐘都具有卓越的性能，并有望進(jìn)一步改進(jìn)。諸如，NIST的鐿原子鐘代表了原子的固有頻度，偏差可能在1018分之1.4以內(nèi)。
研究人員還描述了怎樣通過空中鏈路在鐿時(shí)鐘和鍶時(shí)鐘之間傳輸時(shí)間訊號(hào)，她們發(fā)覺這個(gè)過程的工作效率與光纖一樣好，且比傳統(tǒng)的無線傳輸方案精確1000倍。這顯示了最好的原子鐘是怎樣在月球的遠(yuǎn)程站點(diǎn)之間同步的原子物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，以及時(shí)間訊號(hào)怎樣在更遠(yuǎn)的距離上被傳輸，甚至在宇宙飛船之間傳輸。
新研究也創(chuàng)下了其他重要紀(jì)錄。NIST團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了頻度比值，即三對(duì)（鐿—鍶、鐿—鋁、鋁—鍶）原子頻度之間的定量關(guān)系。這是迄今為止針對(duì)該常數(shù)得出的3個(gè)最精確的檢測(cè)結(jié)果。
頻度比值是評(píng)價(jià)光學(xué)原子鐘的一個(gè)重要指標(biāo)。直接檢測(cè)光學(xué)時(shí)鐘頻度一般以赫茲為單位，遭到目前國際標(biāo)準(zhǔn)銫微波時(shí)鐘的精度限制。而頻度比值克服了這個(gè)限制，由于它們沒有以任何單位表示。
據(jù)悉，Godun提及，依據(jù)目前的理論，原子不會(huì)通過電磁力與暗物質(zhì)互相作用。但是，假若這種互相作用存在，它們會(huì)造成原子鐘頻度的微小變化。“該研究沒有發(fā)覺這樣的變化，這闡明了原子與某種特定類型的暗物質(zhì)之間的任何電磁互相作用的最大硬度幾乎是之前確定硬度的10倍。”
研究團(tuán)隊(duì)正在旨在于提升檢測(cè)穩(wěn)定性和時(shí)鐘性能。Hume說，科學(xué)家期盼將這種檢測(cè)推向更高的精度水平。
光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)路也可以用于探求數(shù)學(xué)學(xué)的許多其他方面，由于它們的精度使人們就能原先所未有的幀率獲得對(duì)周圍世界的檢測(cè)結(jié)果。諸如在更嚴(yán)格的水平上測(cè)試愛因斯坦的相對(duì)論，以及找尋化學(xué)常數(shù)值的可能變化。
“由于目前的精度限制是由技術(shù)問題決定的，因而十分有希望進(jìn)行更精確的檢測(cè)。”Godun說。
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