激光時(shí)鐘：20億年“不差秒”

1、.激光時(shí)鐘：20億年“不差秒日前，據(jù)媒體報(bào)道，科學(xué)家研制出新一代激光時(shí)鐘可在20億年里幾乎不會(huì)產(chǎn)生1秒的誤差。光鐘將來可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航，其在追蹤地面挪動(dòng)目的時(shí)精度可以保持在1米以內(nèi)，從而使得汽車或飛機(jī)的自動(dòng)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(gè)國家的科學(xué)家還準(zhǔn)備在這一研究領(lǐng)域繼續(xù)展開競賽，以便可以設(shè)計(jì)制造出更加精準(zhǔn)的時(shí)鐘。他們的目的就是將時(shí)鐘的時(shí)間精準(zhǔn)到自137億年前宇宙大爆炸以來分秒不差。朋友，你家的表準(zhǔn)兒嗎？一塊普通手表，走得再準(zhǔn)，一個(gè)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(shí)鐘嗎？據(jù)?泰晤士報(bào)?報(bào)道，目前科學(xué)家研制出新一代激光時(shí)鐘，這種時(shí)鐘

2、計(jì)時(shí)巨準(zhǔn)確，20億年誤差不超過1秒。要說這種時(shí)鐘的用處，光是在衛(wèi)星導(dǎo)航上的應(yīng)用，就足以“雷倒不少人?？茖W(xué)家預(yù)測，裝上這種時(shí)鐘，衛(wèi)星導(dǎo)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(jī)實(shí)現(xiàn)無人駕駛將完全不在話下。激光時(shí)鐘為何物？如何做到這般準(zhǔn)確？生活中有哪些應(yīng)用？為了揭開激光時(shí)鐘的神秘面紗，記者走訪了中國計(jì)量科學(xué)研究院光頻標(biāo)研究室方占軍研究員和華東師范大學(xué)精細(xì)光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室畢志毅教授。新的打破用光波躍遷頻率定義的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)方占軍告訴記者，激光時(shí)鐘，也叫光學(xué)時(shí)鐘簡稱光鐘，就是利用原子在光波波段的躍遷來定義的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。以時(shí)間的根本單位“秒的定義為例，多長時(shí)間為1秒？20世紀(jì)50

3、年代，1秒被定義為1個(gè)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(shí)開場地球公轉(zhuǎn)一周時(shí)間的131556925.9747。隨著量子物理的開展，科學(xué)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(zhǔn)確的時(shí)間。1967年，“秒被重新定義為銫原子133同位素基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射周期的9.19×109倍的時(shí)間，該標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)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(xué)頻率比微波頻率高出45個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，在其他因素一樣的情況下，光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的精度和穩(wěn)定度要比微波頻率標(biāo)準(zhǔn)好很多。所以，科學(xué)家一直期盼用光波躍遷頻率建立時(shí)間0頻率標(biāo)準(zhǔn)，即“光鐘?！熬冉庾x工作頻率比原子鐘高4到5個(gè)數(shù)量級(jí)2019年，飛秒激光頻率梳創(chuàng)始性的開展為光鐘提供了一個(gè)非常好的“光學(xué)齒輪，它可以準(zhǔn)確地將光頻的精度傳遞到微波波段，從而實(shí)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(xué)家首次利用原子和飛秒激光頻率梳完成了第一個(gè)“光鐘試驗(yàn)。短短幾年間，光鐘的精度實(shí)現(xiàn)了幾何級(jí)的進(jìn)步。據(jù)報(bào)道，日前科學(xué)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(jìn)的光鐘由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所研制，它通過測量汞離子中電子的振動(dòng)頻率，可以保持17億年準(zhǔn)確運(yùn)行而分秒不差，比當(dāng)光鐘如何做到這般準(zhǔn)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(gè)根本組成部分：振蕩器和計(jì)數(shù)器。原子鐘的振動(dòng)頻率取決于所對(duì)應(yīng)的原子能級(jí)的特性，原子鐘的穩(wěn)定性和精度與原子能級(jí)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(xué)頻率比微波頻率高出45個(gè)數(shù)量級(jí)，因此原子光鐘的精度將大大進(jìn)步，明顯優(yōu)于原子微波鐘?！耙幻胍饬x飛機(jī)汽車有望實(shí)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(duì)于普通百姓的生活而言，似乎差異并不是很大，科學(xué)家的努力似乎有些徒勞。其實(shí)不然。畢志毅介紹說，科學(xué)家普遍認(rèn)為，光鐘將對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、空間科學(xué)、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)葘?duì)于時(shí)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(hào)，主要是通過測量信號(hào)開場抵達(dá)的時(shí)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(dòng)駕駛、準(zhǔn)確導(dǎo)航等方面發(fā)揮重要的作用。至于裝上這種光鐘，飛機(jī)汽車是否就可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛？方占軍告訴記者，這只是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)或汽車無人駕駛的必要條件，飛機(jī)或汽車能否實(shí)現(xiàn)無人駕駛還受其他多種因素的影響?？?/p>

7、幫助檢驗(yàn)物理學(xué)根本理論除了上述應(yīng)用外，科學(xué)家表示，光鐘的更大意義那么表達(dá)在對(duì)科學(xué)探究的奉獻(xiàn)。據(jù)理解，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的研究在科學(xué)探究中有著舉足輕重的地位。從20世紀(jì)40年代以來，有近十次諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了那些對(duì)時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)研究作出重要奉獻(xiàn)的科學(xué)家。2019年，霍爾JohnL·Hall和亨施TheodorW·Hansch因在精細(xì)激光光譜研究和光學(xué)頻率梳技術(shù)方面的重要奉獻(xiàn)而獲得了2019年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，正是他們的工作為實(shí)現(xiàn)光鐘奠定了根底。畢志毅說，有了光鐘這種高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)SI國際單位制體系；科學(xué)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(shí)間而變化以

8、及驗(yàn)證根本物理理論。美國標(biāo)準(zhǔn)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所物理學(xué)家蒂爾·羅森邦德也認(rèn)為，光學(xué)時(shí)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(xué)領(lǐng)域根本定律的變化。光鐘代表時(shí)鐘的將來據(jù)報(bào)道，在研究出這種20億年誤差不超過一秒的激光時(shí)鐘后，美國、英國、德國、法國和日本等多個(gè)國家的科學(xué)家還準(zhǔn)備在這一研究領(lǐng)域繼續(xù)展開競賽，以便可以設(shè)計(jì)制造出更加精準(zhǔn)的時(shí)鐘。他們的目的就是將時(shí)鐘的時(shí)間準(zhǔn)確到自137億年前宇宙大爆炸以來分秒不差?？茖W(xué)家們相信十年內(nèi)這種時(shí)鐘有可能實(shí)現(xiàn)。位于法國巴黎的國際計(jì)量委員會(huì)，方案到2020年實(shí)現(xiàn)用光學(xué)時(shí)鐘取代原子鐘。負(fù)責(zé)時(shí)間與頻率的執(zhí)行秘書伊莉斯·阿里亞斯說：“光

9、學(xué)時(shí)鐘代表著時(shí)鐘的將來，這是一項(xiàng)非常振奮人心的創(chuàng)造。到2019年，我們將獲得階段性成果。對(duì)此，畢志毅說，光鐘是一種精度極高的精細(xì)儀器，它的構(gòu)造非常復(fù)雜，綜合了多項(xiàng)高新技術(shù)，目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。要到達(dá)長期可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，科學(xué)家還需要做很多艱辛而細(xì)致的研究工作。在這個(gè)根底上還需要對(duì)不同國家和不同實(shí)驗(yàn)室研制的光鐘進(jìn)展嚴(yán)格的頻率比對(duì)，以證明它們能在多高的精度上給出統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，為建立“秒的新定義提供科學(xué)根據(jù)。至于2020年光學(xué)時(shí)鐘要取代原子微波鐘的說法，畢志毅認(rèn)為，光鐘和微波原子鐘各有特點(diǎn)，前者完全取代后者不太現(xiàn)實(shí)。問起目前國內(nèi)的光鐘的研究進(jìn)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(gè)光鐘實(shí)驗(yàn)，而我國真正開場光