超精密原子钟可能会重新定义秒的长度
简介：秒的定义是我们当前测量系统中最基本的时间单位，已经有70多年没有更新过了（误差在十亿分之一秒左右）。但在未
秒的定义是我们当前测量系统中最基本的时间单位，已经有70多年没有更新过了（误差在十亿分之一秒左右）。但在未来十年左右，这种情况可能会改变：依靠可见光的超精密原子钟有望设定秒的新定义。
至少在理论上，这些新版本的原子钟比黄金标准的铯原子钟精确得多，后者基于微波照射下铯原子的振荡来测量秒。
“你可以认为这相当于一把每毫米都有刻度的尺子，而不是一根只有1米长的棍子。”科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所时间和频率部门的研究员杰弗里·谢尔曼告诉《生活科学》。
据《纽约时报》报道，今年6月，国际度量衡局可能会发布未来秒定义所需的标准。到目前为止，还没有一个光学时钟为黄金时间做好了准备。
但谢尔曼说，新的定义最早可能在2030年获得正式批准。这种新型的光学时钟可以帮助揭开暗物质的面纱，暗物质是一种施加引力的不可见物质；或者找到被称为引力波的大爆炸残余，引力波是爱因斯坦相对论预测的时空波动。
基本计量单位
目前的标准秒是基于1957年对铯的同位素或变体的实验。当用特定波长的微波能量脉冲时，铯原子处于最“受激”状态，并释放出尽可能多的光子或光单位。
这个波长被称为铯的自然共振频率，它使铯原子每秒钟“滴答”9192631770次。据《纽约时报》报道，秒的最初定义是在1957年与一天的长度相关联，而这又与可变因素相关联，如当时地球的自转和其他天体的位置。
相比之下，光学原子钟测量原子的振荡，当用电磁波谱的可见光范围内的光脉冲时，原子的振荡比铯原子的振荡快得多。因为它们可以滴答得更快，理论上，它们可以以更高的分辨率定义秒。
有多个竞争者可以取代铯成为占统治地位的计时器，包括锶、镱和铝。谢尔曼说，每种方法都有优缺点。
为了实现这种时钟，研究人员必须将原子悬浮起来，然后冷却到绝对零度的头发宽度范围内，然后用精确调谐的可见光颜色来激发原子。系统的一部分将光线照射到原子上，另一部分计算振荡次数。
谢尔曼说：“但一些最大的挑战来自于确保激光器发出完全正确颜色的光——比如某种蓝色或红色——这是将原子激发到共振频率所需的。”谢尔曼说：“第二步——计数振荡——需要一种所谓的飞秒激光频率梳，它以微小的间隔发送光脉冲。”
谢尔曼说：“这两种元素都是令人难以置信的复杂工程技术，它们自己就能占据整个实验室。”
光学时钟的使用
那么，为什么科学家想要越来越精确的原子钟来测量秒呢？这不仅仅是一个学术练习。
时间不会简单地按照自己的节奏行进；爱因斯坦的相对论说它被质量和重力扭曲了。因此，在地球重力场较强的海平面上，时间可能会比地球重力场稍弱的珠穆朗玛峰顶部慢无限多。
检测时间流动中的这些微小变化也可以揭示新物理学的证据。例如，到目前为止，暗物质的影响只在遥远的星系相互环绕的舞蹈中，从行星和恒星周围的光线弯曲中，以及从大爆炸留下的光线中被探测到。
但是，如果大量暗物质潜伏在离家更近的地方，那么探测到时间微小变慢的超精密时钟就能找到它们。
同样，当引力波摇动时空结构时，它们会挤压和拉伸时间。一些最大的引力波被激光干涉仪引力波天文台探测到，这是一场数千英里的光接力赛，测量由黑洞碰撞等灾难性事件造成的时空波动。但是太空中的一大批原子钟可以探测到慢得多的引力波的时间膨胀效应，例如来自宇宙微波背景的引力波。
“它们是所谓的原始引力波，可能是大爆炸的残余。”谢尔曼说。
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