随着科学家在六个国家以破纪录的精度比对时间,光学原子钟的性能已超越铯原子钟标准。
时间一直由铯原子的振动来定义。但随着现代物理学不断突破精密测量的极限,科学家们正着手改写规则。
上个月,来自欧洲和日本的69位科学家组成的团队完成了有史以来规模最大、协调性最强的一次光学原子钟比对。这使世界距离用一种精确得多的新标准来重新定义“秒”更近了一步。
这项历时45天、跨越芬兰、法国、德国、意大利、英国和日本六国的努力,通过卫星信号和超稳光纤连接将10台光学原子钟联网。
迈向新时代的滴答声
他们共同进行了38次频率比值测量,结果展现出前所未有的高度一致性。其中四次比较是首次直接进行,证明了未来建立全球光学时间尺度的可行性。
“这些测量提供了关键信息,告诉我们光学原子钟要达到用于国际时间计量所需的精度和可靠性,还需要做哪些工作,”意大利国家计量研究院(INRiM)的高级研究员马尔科·皮佐卡罗说。
“我们的实验还展示了如何将遍布欧洲的光学原子钟联网,以最先进的精度测量频率比值。这创建了一个分布式实验室,也可用于进行基础物理测试,例如搜寻暗物质或检验物理学基本规则。”
光学原子钟是先进的原子钟,它利用激光触发原子中精确的能量跃迁。这些跃迁发生在极其精确的频率上,充当标记时间的超稳定“滴答声”。
这些“滴答声”比目前用于定义协调世界时(UTC)的铯原子微波钟更为精确。
铯原子钟每1亿年可能偏差1秒,而当今最好的光学原子钟即使在数十亿年后也不会丢失或增加1秒。
由于不同的光学原子钟使用不同的原子,要充分发挥其潜力,就需要在极远距离上对它们进行比较,以确保一致性和准确性。
“同时比较多台时钟,并使用不止一种连接技术,所提供的信息远超过迄今为止主要进行的成对时钟比对,”芬兰VTT MIKES的高级科学家托马斯·林德瓦尔说。
“通过一套协调的测量方案,就有可能进行一致性检查,同时也提供更可信的结果。这些结果有助于确定在新的秒定义中应该使用哪台(或哪些)光学原子钟。”
科学同步秒
该项目依靠多种技术组合来实现跨国时钟联网。GPS卫星信号提供了全球连通性,但由于信号噪声、大气干扰和设备限制等因素,其精度有限。
为获得更高的精度,研究人员还采用了定制的光纤链路,使得测量精度比基于卫星的方法高出100倍。这些超稳连接被用于链接法国、德国和意大利的时钟。
此外,在英国和德国国内,同一机构内拥有多台时钟,研究人员使用了短程光纤进行比较,进一步降低了不确定性并提高了测量稳定性。
研究人员表示,该实验需要极其周密的规划,并且在数据分析阶段面临重大挑战。
“并非所有结果都符合我们的预期,我们在测量中观察到了一些不一致性,”英国国家物理实验室(NPL)的首席科学家雷切尔·戈顿说。
“然而,一次性比对如此多的时钟,并使用不止一种时钟连接技术,使我们更容易识别问题的根源。”
国际单位制(SI)中对秒的重新定义预计将在2030年完成。
该研究成果已发表在《光学》期刊上。
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