精密測量領(lǐng)域的原子核鐘 140億年誤差僅0.1秒

據(jù)國外媒體報道，有一種時鐘可以在140億年里能保證走時誤差僅僅0.1秒!140億年是目前我們宇宙的年齡。在即將發(fā)表在《物理評論快報》(PRL)上的一篇論文里，科學(xué)家為我們描繪了一幅“原子核鐘”的藍圖，如此精確的走時是從單個釷原子的原子核上獲得的。這樣的時鐘可以被用來進行特種形式的保密通訊，用于基礎(chǔ)物理學(xué)理論的研究。原子核鐘比目前所使用的原子鐘要精確100倍，原子鐘是現(xiàn)代GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也在廣泛精密測量的廣大領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

鐘表是通過精確測量穩(wěn)定的周期振蕩來工作的。例如，落地式大擺鐘(老爺鐘)依靠的是擺錘的周期擺動;石英鐘依靠的是石英晶體的特定共振頻率;更加精確的原子鐘依靠的則是激光激發(fā)原子的振動。但是，作為現(xiàn)代GPS定位基礎(chǔ)的原子鐘并不是十分完美，原子鐘中的電子容易受周圍磁場和電場的影響，這將使原子鐘隨著時間的增加而逐漸偏離同步：大約每140億年(宇宙的年齡)誤差4秒。即使這樣，人們對這樣的精度還是嫌不夠，還需要更加精確的計時工具。因為原子鐘和原子核鐘工作的原理略微不同，所以在將來的某一天，人們可以同時使用二者來對物理學(xué)常數(shù)進行檢驗。喬治亞理工大學(xué)物理學(xué)院的教授亞歷克斯.庫茲米奇(Alex Kuzmich)說：“某些物理定律或許不是時間的常數(shù)，研發(fā)更好的鐘表是研究它們的一種很好方法。

他的研發(fā)團隊計劃建造的這種“原子核鐘”利用的是中子，而原子鐘利用的是電子。具體來講利用的是單個釷-229原子的原子核。中子比電子質(zhì)量要大得多而且緊致包裹在原子核當(dāng)中，因此，它幾乎完全不受任何外部因素的影響。

為了使原子核鐘振蕩，研究人員計劃利用工作在千萬億赫茲(petahertz)頻段的激光來激發(fā)釷-229原子的原子核到更高的能級上去。通過調(diào)諧激光來產(chǎn)生的高能態(tài)允許科學(xué)家來非常精密的設(shè)定原子核的振動頻率，該振動是普通鐘表滴答聲或是鐘擺擺動的替代品。

原子核鐘必須要保存在非常低的溫度環(huán)境當(dāng)中(幾十微開爾文)來保證它的穩(wěn)定。要產(chǎn)生和維持這樣的低溫，物理學(xué)家通常是利用激光來進行冷卻，但是對于這樣的系統(tǒng)，就會有一個問題，因為激光同時也被用來產(chǎn)生守時振蕩。為了解決這個問題，科學(xué)家引入單個釷-232離子和用于守時振蕩釷-229離子。由于較重的釷-232離子和釷-229離子受不同波長激光的影響，所以科學(xué)家通過冷卻較重的釷-232來達到冷卻整個系統(tǒng)的目的，而不影響釷-229的守時振蕩。亞歷山大.瑞得納夫(Alexander Radnaev)說：“冷卻的離子就像冰箱一樣維持著核鐘離子的穩(wěn)定”。

計算表明，原子核鐘可以到達精度10-19，相比之下，最好的原子鐘精度只能達到10-17。當(dāng)前所面臨的主要挑戰(zhàn)是，雖然許多不同的研究小組進行了很多努力，但是激發(fā)釷原子核所需的激光精確頻率還沒有完全確定。雖然研究小組相信，他們已經(jīng)演示了制造原子核鐘的潛能，但是在生產(chǎn)出能實際應(yīng)用的原子核鐘之前仍有很長的路要走。

文章的第一作者科里.坎貝爾(Corey Campbell)說：“人們已經(jīng)對如此精確的原子核鐘期盼了30年。建造該鐘比從干草堆里尋找到一根針要難得多，而更像是要從一百萬個干草堆中尋找到一根針。庫茲米奇相信，目前所面臨的問題會被解決的。原子核鐘將把物理學(xué)推進到一個更加精確計時的新時代。他說：“我們的研究表明，利用這種方式建造原子核鐘是非常值得和可行的，我們現(xiàn)在擁有去實現(xiàn)這種精確計時系統(tǒng)的工具和方案”。