可移动光学晶格时钟让时间变得更精确丨Engineering 本文选自中国工程院院刊《E

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2020年第11期
作者：Dana Mackenzie
来源：Time Gets More Precise with Transportable Optical Lattice Clocks[J].Engineering,2020,6(11):1210-1211.
编者按
秒是人类使用的关于时间的最精确的量化单位。在所有的物理学单位中，一秒钟也许是最神秘的。2020 年，研究测量的计量科学家宣布了首个可将测量时间精确到小数点后18位的可移动时钟。从这个角度来看，自宇宙大爆炸以来以这种精度运行的时钟，其损失或增加的时间可能不到半秒钟。
中国工程院院刊《Engineering》刊发《可移动光学晶格时钟让时间变得更精确》，报道了日本东京大学科研人员研制的一种更精确的时钟技术——可移动的光学晶格时钟，使用锶原子发射可见光，而不是微波辐射，实现时间校准。研究人员还用这个时钟测试了爱因斯坦对时间膨胀的预测。
在所有的物理学单位中，一秒钟也许是最神秘的。与一米不同，我们看不见它。与一千克不同，我们握不住它。与一伏特不同，我们感知不到它。
然而，秒是我们拥有的最精确的量化单位。2020 年，研究测量的计量科学家宣布了首个可将测量时间精确到小数点后18位的可移动时钟。从这个角度来看，自宇宙大爆炸以来以这种精度运行的时钟，其损失或增加的时间不到半秒钟。
在2020年4月出版的《自然·光子学》杂志上，东京大学应用物理学教授Hidetoshi Katori和他的6位同事一起介绍了他们如何用这个时钟来测试阿尔伯特·爱因斯坦对时间膨胀的预测。对于地面时钟而言，此次预测精度是有史以来最精确的。爱因斯坦的预测通过了检验。更重要的是， Katori领导团队设计出更精确的时钟，并且通过了可移动性测试。这种时钟可以成为下一代原子时钟的衡量标准，其可移动的能力大大提高了它们的实用性。
自1967年以来，科学家一直使用量子物理学领域/ 学科中关于秒的定义。当铯原子被激光激发时，发射的光波频率为9 192 631 770 Hz 。这不是一种测量，而是一种定义，它将铯原子钟作为时间校准的仲裁器，而铯原子钟是世界上越来越多的数字技术所依赖的基础。尽管它们质量上乘且测量高效，但是目前最先进的铯原子钟测量的时间最多也只能精确到小数点后16位，这主要是因为很难测量循环小数。
在21世纪初， Katori开始研究一种更精确的时钟技术，称为光学晶格时钟。这些时钟使用锶原子发射可见光，而不是微波辐射，因此被称为光学时钟。它们的优点是可见光具有更高的频率，即 429 288 004 229 873.0 Hz 。请注意，这个数字有 16 位。测量受到定义时间秒的长度的铯原子钟精度的限制。有了锶原子钟，我们可以将时间再精确到小数点后两位。这一进步是源于时钟可以同时询问数千个锶原子，这些锶原子被困在晶格（也就是光学晶格）中。鉴于统计学原因，如果误差源是随机噪声，则N次测量可将误差减小倍。尽管精度提高不大，但在计量学中，精度就是一切。
在整个20世纪90年代里，单离子钟是最有前景的下一代时钟技术，其电场将一个带电荷的原子固定在原位。这是诺贝尔奖得主Hans Dehmelt和Wolfgang Paul 发明的技术。单离子钟具有几个优点。位于德国伦瑞克国家计量研究所的光学晶格工作组负责人Christian Lisdat表示：“离子位置很好，这样你就不会受到多普勒效应的影响。因为多普勒效应是光学领域的一大敌人，会给出错误的频率。”
然而， Katori故意选择了一种未经验证的技术。他将他的团队在日本的研究与Charles Darwin在加拉帕戈斯群岛的研究进行了对比，这远非科学的主流。Katori 说：“对于我们来说，这是一种理想的情形，我们可以集中精力进行新的努力，同时不被其他人的工作所困扰。我们的‘加拉帕戈斯群岛’隔离使得原子钟以与世界其他地方不同的方式发展进化。”