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国际标准原子钟精准度提升十倍

物理学家测量并对比了世界上最精确的原子钟,达到前所未有的准确度,对于探索暗物质、太空飞船通讯等方面都具有重要意义。

国际标准原子钟精准度提升十倍位于德国不伦瑞克市的铯原子钟,每两百万年误差一秒。原子钟是一种以原子震荡频率计算和维持时间准确度的设备,是现在世界上最准确的计时设备,也是国际时间和频率转换的基准,电视、广播和全球定位系统(GPS)卫星等讯号也都以原子钟控制。美国国家标准技术研究所(NIST)和博尔德原子钟光网络(BACON)的研究人员合作,第一次对使用三种不同原子计算时间的原子钟进行了对比,把它们之间的差别之比提升到此前水平的近十倍。这项实验成果3月24日发表于《自然》(Nature)期刊上。在这项实验里,铝原子钟和镱原子钟位于美国国家标准技术研究所在科罗拉多州博尔德市(Boulder)大楼里面的两个房间里,另一台锶原子钟则位于1.5公里之外的另一家同样位于博尔德市的物理研究机构——联合实验室天体物理研究所(JILA)内。这项研究的主要撰稿人美国国家标准技术研究所的休谟(David Hume)在新闻稿中说:“这些结果是当今光纤和空中传播两路进行对比得到的最先进的结果,都比以前使用的任何原子钟对比的结果更准确十倍左右。”国际标准原子钟精准度提升十倍什么是一秒传统的原子钟常用铯原子,每秒震荡大约90亿次。这次实验引入的新原子钟频率更快,每秒大约数百万亿次。如此快的速度,用传统的电子设备已经无法计数。这项研究的参与者之一位于新墨西哥州太空动力学实验室(Space Dynamics Laboratory)的物理学家莱奥帕迪(Holly Leopardi)介绍说,他们设计了一种方法,把这些超高频率光波转换为可控、易于测量的形式。不同类别原子钟的频率比使用这种方法,研究人员可以对比不同原子钟震荡频率的比值。简单来说,例如在相同时间内,一个设备震荡三次,另一个震荡两次,那么这两个设备的频率比就是1.5。研究人员把这些原子钟连续运作10~17天,不断测量和对比它们的频率,将此比值从现在的小数点后17位数,提升至18位数。这样的对比有什么用处?现在的卫星、全球定位系统(GPS)都依赖原子钟确定精确的时间。主要撰稿人休谟说:“在日常生活中你不会感觉到任何不同,但是对于一秒时间的精确界定有着重要作用。”不同类型原子钟之间的震荡比应该是固定的,所以镱原子钟和锶原子钟频率之比,在博尔德市和在世界任何其它地方都应该是一样的。这对校准位于世界各地所有的原子钟具有重要意义。探索暗物质科学家认为宇宙中有多达85%的物质都不是由现在科学已经探测到的物质构成的,由此把它们统称为“暗物质”。可是至今,还没能确定组成暗物质的任何一种物质或粒子。研究认为,暗物质在以光速穿过地球的过程中,很可能会轻微地改变一些基础物理常数,比如精细结构常数的数值,而这样的变化通过部署在世界各地的原子钟就可能探测到。

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