科技快讯:比原子钟更精确的是?

自人类文明史之时,我们就慢慢逐渐应用一些能观查到的周期性情况进行计时。

科技快讯:比原子钟更精确的是?

太阳东升西落,大伙儿学精在地面上坚起一根木棍,依据步测影子的长度载入时间,这就是最初的数字时钟,又被称作日规。随后,大伙儿在日规的情况下发展趋向出更精美的日晷。以后,水钟和摆动钟的产生促进计时越来越不依赖自然的日光。

目前,原子的波动是权威专家目前可以观查到的最稳定的周期性事儿,而原子钟也成了目前世界上最准确的记时器,它稳定水准甚至超出自然大行星系统的运行。目前最准确的光电子器件原子钟相近能精确到10¹⁸分之一,换句话说,倘若它从宇宙膨胀之初就运作,一直走到今日,误差也不能超过1秒。

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核钟的当代艺术家想象图。| 图片出处:P. G. Thirolf et al., Ann. Phys. 531, 1800381 (2019)

可是权威专家并没止步于此,他们正努力生产加工出一种比原子钟更精确的数字时钟。它被称作核钟,以致于极有可能变为目前为止最准确的记时器,据估计,其精度可以保证原子钟的10倍。专家相信,伴随数字时钟精确度的不断提高,这种能帮助探索很多难点,将探索的目光引到更极致的边缘。

原子钟应用就是指电子器件的动能跃迁来计时。根据量子物理学,原子中的电子器件在相对应的能层上仅有携带一定量的动能。为了能能使原子中的电子器件从一个电子能级到达另一个电子能级,要用适当输出功率的激光照射原子。这一输出功率,其实就是光的电磁波波动的速率,就可以作为一个十分精确的记时器。

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原子中的电子器件及其电子能级简单平面设计图。| 图片出处:岳岳 / 基本概念

好似原子中的电子器件一样,原子核里的质子和中子一样占据着不连续的电子能级。但不同的是,原子核遭到强大的核力作用,这种力将质子和中子牢牢地绑在一起。

通常情况下来讲,专家可以应用原子核的物理特性,生产制造出全新的核钟。核钟能通过核能级正中间的跃迁,并非电子器件电子能级的跃迁来计时。需注意就是指,由于原子核比原子的电子壳层小得多,它对外部的震荡更加不敏感。原子核能够抵御会危害原子钟的杂散电场或磁场的影响。因此一些专家我坚信,核钟更稳定,也更准确。

但难点在于,如果要用原子核计时,就需要激发原子核能级正中间的跃迁。权威专家清楚,对绝大多数原子核来讲,激光发生器或许“力所不能及”,这要比激光发生器更效率高动能的光。幸运的是,在所有早已知道的原子核中,专家早就发现了一个以外,那便是个“天真有邪”:在钍-229中,有一对动能充裕接近的相邻电子能级,激光发生器就会出现极有可能造成跃迁。

更精确地精确测量这种跃迁的动能,便是建造钍核钟的关键一步。2019年《自然》期刊杂志中的论文报道,一组专家依据精确测量原子核在2个电子能级正中间跃迁时推送的电子来估算其动能。在2020年的一项新科学研究中,研究人员精确测量了钍原子核能够产生的其他动能跃迁,减去她们,就可以推断出核钟跃迁的动能。

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自1994年起公布的钍-229能值,不一样模样标示代表着不一样科研,最后四组(星标)就是最新研究得到的新数据。红色线条代表着着最近8次精确测量的权重系数均值,大约为8.12±0.11eV,相当于152.7±2.1 nm的光的波长。| 图片出处:L. von der Wense/JILA; adapted by APS/Alan Stonebraker

研究人员一致感觉,这种跃迁的动能大约是8电子伏多一点,这种动能相当于紫外线的波长范围,在这种前提下,用激光激发跃迁是有很大可能的,却也正处于目前权威专家水准规定值的边缘。

在把握跃迁动能的大小之后,权威专家下一步的目地就是用激光发生器打开它,并不久的将来很多年内建造出真真正正的核钟。目前,权威专家尝试的形式包括输出功率梳和电子器件桥等。输出功率梳是一种创建激光发生器不连续输出功率阵列的方法,它有期待运作跃迁,并更准确地精确测量其动能;而电子器件桥的大约基本概念原是使激光发生器最开始激发电子器件,随后将热传递到原子核。

很多专家相信,更精确的数字时钟可以推动在于他的技术实力的改进,比如GPS导航。核钟还能让大伙儿对物理学中的大部分意识进行一个新的检验,许多专家有兴趣的是,它可以帮助确立自然中的一些大部分变量定义是否会随时随地长而变化。

例如,一些研究发现,精细结构变量定义(明确电流的磁效应互相影响抗拉强度的数据信息)在一些情况下很有可能导致变化,而核钟就是寻找大部分变量定义变化的完美系统。这类机器设备一样能够检验爱因斯坦的广义相对论的基本上,也就是常说的闭合电路基本概念。这种极为准确的数字时钟甚至也是有发展前景用于寻找暗能量,或者解决物理学中的一些问题,帮助解除物理学的新篇章。

 

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