精確度遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù) 下一代光學(xué)原子鐘可探測引力波

英國《自然》雜志29日在線發(fā)表的一項(xiàng)物理學(xué)研究指出，下一代光學(xué)原子鐘已經(jīng)能比現(xiàn)有方法更精確地測量地球表面時空的引力扭曲。這一成果可用于探測引力波、檢測廣義相對論以及尋找暗物質(zhì)。

時間的流逝并非絕對，而是取決于給定的參照標(biāo)準(zhǔn)。因此，時鐘的測量很容易受到相對速度、加速度和重力勢的影響。重力勢增加會導(dǎo)致山頂?shù)溺姳鹊孛娴溺娮叩酶臁榱藢σ鲋胁煌恢玫溺娺M(jìn)行比對，就需要一個共同的參照面。

地球上的參照面為大地水準(zhǔn)面，大地水準(zhǔn)面是與全球平均海水面重合的等勢面，目前由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和一個計(jì)入重力的大地水準(zhǔn)面模型的高程測量確定。兩者當(dāng)前均有幾厘米的不確定度，而使用原子鐘，就可以降低這種不確定度。

此次，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)科學(xué)家威廉姆·麥克盧及其同事，根據(jù)三個基準(zhǔn)表征了兩個鐿原子光晶格鐘。科學(xué)家們報告稱，以鐘頻為單位，系統(tǒng)不確定度為1.4×10-18，測量不穩(wěn)定度為3.2×10-19，并能通過反復(fù)本地頻率比對，達(dá)到不同鐘頻差為10-19量級的再現(xiàn)性。如此高的精確度，已經(jīng)可以確保大地水準(zhǔn)面測定的不確定度小于1厘米，遠(yuǎn)超過現(xiàn)有技術(shù)。

研究人員表示，原子鐘是基于特定原子躍遷在光頻波段的測量。下一代原子鐘對引力的相對論效應(yīng)非常靈敏，甚至可以用作引力位探測器。

在2016年，NIST的物理學(xué)家曾利用鐿原子鐘創(chuàng)造了原子鐘穩(wěn)定性的世界紀(jì)錄。鐿原子鐘需要鐿原子冷卻，然后將其封閉到由激光制成的光晶格“容器”中，每秒“滴答”至少數(shù)百萬億次的光晶格會引發(fā)這些原子在兩個能量級之間“擺動”，最終制成了超級穩(wěn)定的原子鐘。