全球科学界正在考虑基于这些下一代光学原子钟重新定义秒。

 

现有的原子钟用微波照射原子来测量秒。但是这种新浪潮时钟用频率高得多的可见光波照射原子，以更精确地计算秒。与目前的微波钟相比，光学钟有望为国际计时提供更高的精度——可能每 300 亿年只会错失一秒。

 

 

为了实现新的破纪录性能，与之前的光学晶格钟相比，JILA 研究人员使用了更浅、更柔和的激光网络来捕获原子。这大大减少了两个主要的误差源——捕获原子的激光的影响；以及原子挤得太紧时相互碰撞。

 

“这款时钟非常精确，甚至可以在微观尺度上检测到广义相对论等理论预测的微小影响，”NIST 和 JILA 物理学家 Jun Ye 表示。“它正在突破计时的极限。”

 

这种新的时钟设计可以检测到亚毫米级的相对论对计时的影响。将时钟升高或降低这么微小的距离足以让研究人员辨别出重力效应引起的时间流逝的微小变化。

 

这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力可以大大弥合微观量子领域与广义相对论描述的大规模现象之间的差距。

 

太空导航和量子进步

 

更精确的原子钟也能使更精确的太空导航和探索成为可能。在太空旅行中，即使是微小的计时错误也会导致导航错误，而随着旅行距离的增加，导航错误会呈指数级增长。

 

“如果我们想让航天器精确地降落在火星上，我们需要比现在 GPS 精确几个数量级的时钟，”叶补充道。“这款新时钟是实现这一目标的重要一步。”

研究小组表示，用于捕获和控制原子的相同方法也可能带来量子计算方面的突破。量子计算机需要能够精确操纵单个原子或分子的内部特性来执行计算。

 

通过探索量子力学和广义相对论交叉的微观领域，研究人员表示，他们“打开了一扇通往理解现实本身基本性质的新层次的大门”。

 

这项工作在《物理评论快报》接受的预印本中进行了描述，可在 arxiv.org 上找到。