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原子钟现在可以保持足够的时间来改善地球模型

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-11-26浏览次数:1311

美国国家标准与技术研究院(NIST)的实验原子钟已经取得了三项新的性能记录,这些记录现在已经足够精确,不仅可以改善定时和导航,还可以检测来自重力,早期宇宙甚至暗物质的微弱信号。

每个时钟捕获光学晶格中的一千个氦原子,一个由激光束构成的网格。通过振动或在两个能级之间切换来勾选原子。通过比较两个独立的时钟,NIST物理学家在三个重要指标上取得了创纪录的成果:系统不确定性,稳定性和可重复性。

11月28日在“自然”杂志上发表的新NIST时钟记录是:

系统不确定性:时钟代表原子的固有振动或频率。美国国家标准与技术研究院的研究人员发现,每个时钟的刻度都与自然频率相匹配,只有1.4个部分在1018的可能误差范围内 - 大约十亿分之一十亿分之一。

稳定性:时钟频率在指定的时间间隔内变化,在一天内测量1019(或0.)中3.2份的水平。

再现性:相同频率下两个时钟的接近度,如10个时钟对比较所示,产生的频率差小于10-18(再次,小于十亿分之一)。

“该系统的不确定性,稳定性和可重复性可被视为这些时钟的'皇家同花顺',”项目负责人Andrew Ludlow说。 “两个时钟在这个前所未有的水平上的一致性,我们称之为可重复性,也许是最重要的结果,因为它基本上需要并确认其他两个结果。”

“这一点尤其正确,因为重复性表明时钟的总误差低于我们影响地球重力时间的一般能力。因此,正如我们所想象的,这种时钟在全国各地或世界各地使用,它们的性能将首次受到地球引力效应的限制。

爱因斯坦的相对论预测,当在强大的引力作用下工作时,原子钟的滴答声,即原子振动的频率,会降低,而这正是电磁光谱的红色一端。也就是说,在较低的海拔处,时间流逝得较慢。

虽然这些所谓的红移会降低时钟的计时性能,但在磁头处也可以产生相同的灵敏度,以精确测量重力。超灵敏的时钟比以往任何时候都能更精确地绘制出时间和空间的引力变形图。应用包括相对论大地测量学,它测量地球的引力形状,探测早期宇宙的信号,如引力波,甚至可能是无法解释的“暗物质”。

现在,NIST的布谷鸟钟已经超过了传统的测量大地水准面的能力,也就是根据潮汐在海平面测量地球形状的能力。将这些远离不同大陆的时钟进行比较,可以将大地测量结果精确到1厘米以内,这比现有的几厘米技术要好。

研究人员说,最近的一篇论文表明,在过去十年中,由NIST和世界各地的其他实验室发布的新的时钟性能记录具有很高的重复性。另外,比较两个时钟是评价性能的传统方法。

对NIST最新的布谷鸟钟的改进包括热屏蔽和电屏蔽,它们包围原子以保护原子免受杂散电场的影响,使研究人员能够更好地描述和纠正热辐射引起的频率偏移。

氦原子是重新定义未来的第二个原子 - 国际时间单位 - 光学频率的潜在候选者。 NIST的新时钟记录符合国际重新定义路线图的要求之一。与基于当前标准铯原子的最佳时钟相比,经验证的精度提高了100倍,并且铒原子在较低的微波频率下振动。

NIST正在构建具有最先进性能的便携式镱单元时钟,可以传输到世界各地的其他实验室进行时钟比较,并可以运行到其他地方以探索相对论的大地测量技术。

这项工作得到了NIST,美国国家航空航天局和国防高级研究计划局的支持。