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原子鐘現在可以保持足夠的時間來改善地球模型

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-11-26瀏覽次數:1311

美國國家標準與技術研究院(NIST)的實驗原子鐘已經取得了三項新的性能記錄,這些記錄現在已經足夠精確,不僅可以改善定時和導航,還可以檢測來自重力,早期宇宙甚至暗物質的微弱信號。

每個時鐘捕獲光學晶格中的一千個氦原子,一個由激光束構成的網格。通過振動或在兩個能級之間切換來勾選原子。通過比較兩個獨立的時鐘,NIST物理學家在三個重要指標上取得了創紀錄的成果:系統不確定性,穩定性和可重復性。

11月28日在“自然”雜志上發表的新NIST時鐘記錄是:

系統不確定性:時鐘代表原子的固有振動或頻率。美國國家標準與技術研究院的研究人員發現,每個時鐘的刻度都與自然頻率相匹配,只有1.4個部分在1018的可能誤差范圍內 - 大約十億分之一十億分之一。

穩定性:時鐘頻率在指定的時間間隔內變化,在一天內測量1019(或0.)中3.2份的水平。

再現性:相同頻率下兩個時鐘的接近度,如10個時鐘對比較所示,產生的頻率差小于10-18(再次,小于十億分之一)。

“該系統的不確定性,穩定性和可重復性可被視為這些時鐘的'皇家同花順',”項目負責人Andrew Ludlow說。 “兩個時鐘在這個前所未有的水平上的一致性,我們稱之為可重復性,也許是最重要的結果,因為它基本上需要并確認其他兩個結果。”

“這一點尤其正確,因為重復性表明時鐘的總誤差低于我們影響地球重力時間的一般能力。因此,正如我們所想象的,這種時鐘在全國各地或世界各地使用,它們的性能將首次受到地球引力效應的限制。

愛因斯坦的相對論預測,當在強大的引力作用下工作時,原子鐘的滴答聲,即原子振動的頻率,會降低,而這正是電磁光譜的紅色一端。也就是說,在較低的海拔處,時間流逝得較慢。

雖然這些所謂的紅移會降低時鐘的計時性能,但在磁頭處也可以產生相同的靈敏度,以精確測量重力。超靈敏的時鐘比以往任何時候都能更精確地繪制出時間和空間的引力變形圖。應用包括相對論大地測量學,它測量地球的引力形狀,探測早期宇宙的信號,如引力波,甚至可能是無法解釋的“暗物質”。

現在,NIST的布谷鳥鐘已經超過了傳統的測量大地水準面的能力,也就是根據潮汐在海平面測量地球形狀的能力。將這些遠離不同大陸的時鐘進行比較,可以將大地測量結果精確到1厘米以內,這比現有的幾厘米技術要好。

研究人員說,最近的一篇論文表明,在過去十年中,由NIST和世界各地的其他實驗室發布的新的時鐘性能記錄具有很高的重復性。另外,比較兩個時鐘是評價性能的傳統方法。

對NIST最新的布谷鳥鐘的改進包括熱屏蔽和電屏蔽,它們包圍原子以保護原子免受雜散電場的影響,使研究人員能夠更好地描述和糾正熱輻射引起的頻率偏移。

氦原子是重新定義未來的第二個原子 - 國際時間單位 - 光學頻率的潛在候選者。 NIST的新時鐘記錄符合國際重新定義路線圖的要求之一。與基于當前標準銫原子的最佳時鐘相比,經驗證的精度提高了100倍,并且鉺原子在較低的微波頻率下振動。

NIST正在構建具有最先進性能的便攜式鐿單元時鐘,可以傳輸到世界各地的其他實驗室進行時鐘比較,并可以運行到其他地方以探索相對論的大地測量技術。

這項工作得到了NIST,美國國家航空航天局和國防高級研究計劃局的支持。

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