激光時鐘：20億年“不差秒”

1、.激光時鐘：20億年“不差秒日前，據(jù)媒體報道，科學家研制出新一代激光時鐘可在20億年里幾乎不會產(chǎn)生1秒的誤差。光鐘將來可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導航，其在追蹤地面挪動目的時精度可以保持在1米以內(nèi)，從而使得汽車或飛機的自動駕駛成為可能。在獲得上述成就后，美國、英國、德國、法國和日本等多個國家的科學家還準備在這一研究領(lǐng)域繼續(xù)展開競賽，以便可以設(shè)計制造出更加精準的時鐘。他們的目的就是將時鐘的時間精準到自137億年前宇宙大爆炸以來分秒不差。朋友，你家的表準兒嗎？一塊普通手表，走得再準，一個月也有15秒左右的誤差。你能想象20億年誤差不超過1秒的時鐘嗎？據(jù)?泰晤士報?報道，目前科學家研制出新一代激光時鐘，這種時鐘

2、計時巨準確，20億年誤差不超過1秒。要說這種時鐘的用處，光是在衛(wèi)星導航上的應(yīng)用，就足以“雷倒不少人。科學家預測，裝上這種時鐘，衛(wèi)星導航儀可將地面目的定位到1米以內(nèi)，如此以來，汽車或飛機實現(xiàn)無人駕駛將完全不在話下。激光時鐘為何物？如何做到這般準確？生活中有哪些應(yīng)用？為了揭開激光時鐘的神秘面紗，記者走訪了中國計量科學研究院光頻標研究室方占軍研究員和華東師范大學精細光譜科學與技術(shù)國家重點實驗室畢志毅教授。新的打破用光波躍遷頻率定義的時間頻率標準方占軍告訴記者，激光時鐘，也叫光學時鐘簡稱光鐘，就是利用原子在光波波段的躍遷來定義的時間頻率標準。以時間的根本單位“秒的定義為例，多長時間為1秒？20世紀50

3、年代，1秒被定義為1個平均太陽日的186400。然而，由于太陽日在一年中并非完全一樣，1956年，國際上又將秒定義為1900年1月1日歷書12時開場地球公轉(zhuǎn)一周時間的131556925.9747。隨著量子物理的開展，科學家發(fā)現(xiàn)，微觀量子態(tài)的躍遷具有穩(wěn)定不變的周期，例如，銫原子133的躍遷頻率為每秒9.19×109周，因此，原子可以用作一種節(jié)拍器來保持高度準確的時間。1967年，“秒被重新定義為銫原子133同位素基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射周期的9.19×109倍的時間，該標準一直沿用至今。由于原子躍遷頻率在微波波段，因此，利用微波躍遷頻率建立起來的時間頻率標準又

4、被稱為“微波鐘，也就是說，我們現(xiàn)行的秒定義也是基于該躍遷的“微波鐘。由于光學頻率比微波頻率高出45個數(shù)量級，因此，在其他因素一樣的情況下，光學頻率標準的精度和穩(wěn)定度要比微波頻率標準好很多。所以，科學家一直期盼用光波躍遷頻率建立時間0頻率標準，即“光鐘?！熬冉庾x工作頻率比原子鐘高4到5個數(shù)量級2019年，飛秒激光頻率梳創(chuàng)始性的開展為光鐘提供了一個非常好的“光學齒輪，它可以準確地將光頻的精度傳遞到微波波段，從而實現(xiàn)記錄和顯示，這為光鐘的建立邁出了重要一步。2019年，科學家首次利用原子和飛秒激光頻率梳完成了第一個“光鐘試驗。短短幾年間，光鐘的精度實現(xiàn)了幾何級的進步。據(jù)報道，日前科學家研制出的新型

5、光鐘，20億年里誤差可控制在一秒。在此之前，世界上最先進的光鐘由美國國家標準與技術(shù)研究所研制，它通過測量汞離子中電子的振動頻率，可以保持17億年準確運行而分秒不差，比當光鐘如何做到這般準確？這要從光鐘的根本構(gòu)成說起。畢志毅告訴記者，同所有的鐘一樣，光鐘也有兩個根本組成部分：振蕩器和計數(shù)器。原子鐘的振動頻率取決于所對應(yīng)的原子能級的特性，原子鐘的穩(wěn)定性和精度與原子能級躍遷譜線寬度和躍遷頻率有關(guān)即1，因此在一樣譜線寬度的條件下，由于光學頻率比微波頻率高出45個數(shù)量級，因此原子光鐘的精度將大大進步，明顯優(yōu)于原子微波鐘?！耙幻胍饬x飛機汽車有望實現(xiàn)無人駕駛無論是20億年里不差一秒，還是8000萬年不差一秒

6、，對于普通百姓的生活而言，似乎差異并不是很大，科學家的努力似乎有些徒勞。其實不然。畢志毅介紹說，科學家普遍認為，光鐘將對衛(wèi)星導航、空間科學、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)葘τ跁r間精度要求比較高的領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS為例，其全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收由衛(wèi)星發(fā)出的微波信號，主要是通過測量信號開場抵達的時間，假如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)裝上“光鐘，可將地面的某一物體鎖定在更小的范圍內(nèi)。這樣一來，它將在自動駕駛、準確導航等方面發(fā)揮重要的作用。至于裝上這種光鐘，飛機汽車是否就可以實現(xiàn)無人駕駛？方占軍告訴記者，這只是實現(xiàn)飛機或汽車無人駕駛的必要條件，飛機或汽車能否實現(xiàn)無人駕駛還受其他多種因素的影響。可

7、幫助檢驗物理學根本理論除了上述應(yīng)用外，科學家表示，光鐘的更大意義那么表達在對科學探究的奉獻。據(jù)理解，時間頻率標準的研究在科學探究中有著舉足輕重的地位。從20世紀40年代以來，有近十次諾貝爾獎頒發(fā)給了那些對時間頻率標準研究作出重要奉獻的科學家。2019年，霍爾JohnL·Hall和亨施TheodorW·Hansch因在精細激光光譜研究和光學頻率梳技術(shù)方面的重要奉獻而獲得了2019年的諾貝爾物理獎，正是他們的工作為實現(xiàn)光鐘奠定了根底。畢志毅說，有了光鐘這種高精度的時間頻率標準，將會進一步改進SI國際單位制體系；科學家可以在更高的精度上測量物理常數(shù)、探究物理常數(shù)是否隨時間而變化以

8、及驗證根本物理理論。美國標準與美國國家標準與技術(shù)研究所物理學家蒂爾·羅森邦德也認為，光學時鐘可以用于檢測宇宙的根本屬性。我們可以依靠它發(fā)現(xiàn)物理學領(lǐng)域根本定律的變化。光鐘代表時鐘的將來據(jù)報道，在研究出這種20億年誤差不超過一秒的激光時鐘后，美國、英國、德國、法國和日本等多個國家的科學家還準備在這一研究領(lǐng)域繼續(xù)展開競賽，以便可以設(shè)計制造出更加精準的時鐘。他們的目的就是將時鐘的時間準確到自137億年前宇宙大爆炸以來分秒不差?？茖W家們相信十年內(nèi)這種時鐘有可能實現(xiàn)。位于法國巴黎的國際計量委員會，方案到2020年實現(xiàn)用光學時鐘取代原子鐘。負責時間與頻率的執(zhí)行秘書伊莉斯·阿里亞斯說：“光

9、學時鐘代表著時鐘的將來，這是一項非常振奮人心的創(chuàng)造。到2019年，我們將獲得階段性成果。對此，畢志毅說，光鐘是一種精度極高的精細儀器，它的構(gòu)造非常復雜，綜合了多項高新技術(shù)，目前還處于實驗室研究階段。要到達長期可靠運轉(zhuǎn)，科學家還需要做很多艱辛而細致的研究工作。在這個根底上還需要對不同國家和不同實驗室研制的光鐘進展嚴格的頻率比對，以證明它們能在多高的精度上給出統(tǒng)一的時間標準，為建立“秒的新定義提供科學根據(jù)。至于2020年光學時鐘要取代原子微波鐘的說法，畢志毅認為，光鐘和微波原子鐘各有特點，前者完全取代后者不太現(xiàn)實。問起目前國內(nèi)的光鐘的研究進展，畢志毅和方占軍都表示，我國的光鐘研究起步比較晚，2019年，美國就已完成了第一個光鐘實驗，而我國真正開場光