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新型原子鐘能運行140億年誤差不到0.1秒

  據國外媒體報道,目前,美國專家最新設計出一種新型原子鐘,它非常精確,如果讓它持續運行140億年(相當于當前宇宙的年齡),其誤差竟然不到0.1秒。

  他們利用一種叫做量子糾纏的奇特現象,在該現象中粒子會緊密地連接在一起。研究人員解釋稱,量子糾纏有助于減少原子振蕩時產生的不確定性,能夠精準計時。

  原子鐘可以揭曉構成宇宙四分之三以上難以捉摸的“暗物質”,也可以用于研究引力對時間的影響。該論文作者、美國麻省理工學院電子工程師愛德溫·佩德羅佐·佩那菲爾說:“與目前最先進的光學時鐘相比,量子糾纏增強光學原子鐘有可能在1秒內達到更高精度?!?/p>

  就像落地式大擺鐘利用擺錘的擺動進行計時一樣,原子鐘利用激光來測量原子云的有規律振動,這是科學家目前可以觀測到最穩定的周期性事件。

  在理想情況下,人們可以利用單個原子的運動進行計時,然而在原子尺度上,量子力學的奇特規則開始發揮作用,同時該測量結果受統計概率影響,必須取平均數值才能產生可靠的數據。

  該論文合著作者、美國麻省理工學院物理學家西蒙尼·科倫坡解釋稱,當增加原子數量時,所有這些原子的平均值都趨向于正確值。

  當前原子鐘能測量數千個超冷原子,使用激光將它們聚集在“光學陷阱”中,然后用另一種頻率與被測原子振動頻率相似的激光探測它們。

  然而,即使是這種方法也存在一定程度的量子不確定性,但正如研究小組所展示的那樣,其中一些問題可以通過量子糾纏消除,通過量子糾纏,可獲得一組原子的相關測量結果。

  新型原子鐘可用于揭曉難以捉摸的“暗物質”,這些暗物質被認為構成了宇宙的四分之三以上,并且可用于研究引力對時間的影響。

  研究人員解釋稱,這意味著糾纏原子的單個振蕩在一個共同頻率附近收緊,從而提高了時鐘測量的精度。在他們的最新時鐘設計中,佩那菲爾和同事將大約350個鐿原子(稀土元素)糾纏在一起,鐿原子每秒振蕩10萬次,比鈀原子(傳統原子鐘中使用的元素)的振蕩頻率更高,這一事實意味著,如果原子振蕩跟蹤準確的話,這種新型時鐘甚至可以分辨出更短暫時間范圍的差異。

  像普通原子鐘一樣,研究小組將原子困在兩個鏡面包圍的光學振腔中,然后發射激光穿過光學振腔,使激光在兩個鏡面之間反彈,反復與原子相互作用并使它們糾纏在一起。

  麻省理工學院物理學家遲舒(音譯)說:“這就好像光充當原子之間的通訊紐帶,看到光的第一個原子能輕微地改變這束光,這束光也會改變第二個原子、第三個原子,經過許多個周期,原子集體相互了解,并開始表現出類似的行為特征?!?/p>

  然后,研究小組使用另一種激光測量原子的平均頻率,與現有原子鐘所用方法類似,研究小組發現,這種量子糾纏使時鐘以4倍速度達到預期精度。

  麻省理工學院物理學家弗拉丹·魯雷蒂克說:“我們可以通過測量更長時間來使時鐘更加精確,問題在于你需要多長時間才能達到一定精度,許多現象需要用快速的時間尺度來衡量。最新時鐘的設計可以用于更好地解決宇宙中各種未解之謎,隨著宇宙年齡的增長,光的速度會改變嗎?電荷會改變嗎?你可以用更精確的原子鐘進行探測?!蹦壳?,這項研究報告發表在近期出版的《自然》雜志上。


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