最新「原子核鍾」140億年誤差1/10秒

  目前世界精確原子鐘的誤差約為數億年1秒,如英國國家物理實驗室的NPL-CsF2銫原子鐘,其1.38億年的誤差為正負1秒。但原子鐘與研究人員正在研發的原子核鐘的精確度相比,不過是小巫見大巫。美國和澳大利亞科學家表示,在他們制定的藍圖中,原子核時鐘的精確度確定為140億年(宇宙壽命)誤差1/10秒,而幫助原子核鍾實現極高精度的關鍵為釷離子核。

  目前準確的原子鐘被作為全球定位系統的基礎,同時廣泛用於重要的測量中。科學家認為,更高精度的原子核時鐘具有多種潛在的應用價值,如保密通信以及基礎物理學理論。有關原子核鐘的文章刊登在近期出版的《物理評論快報》雜誌上。

 

 

  原子核鍾受外界影響更小更精準

  對於絕大多數應用,現有的原子時鐘已經足夠精確。但是,在有些應用中,更精確的時鐘則會給予必要的幫助。文章合著者、美國佐治亞理工學院物理系教授阿萊克斯·庫茲米奇表示,如果你能製造出更精確的時鐘,那麼人們就會有效地利用它。

  除佐治亞理工學院的物理學家外,美國內華達大學物理系和澳大利亞新南威爾士大學物理系的科學家也參與了原子核鐘的研究工作。他們的研究得到了美國海軍研究辦公室、國家科學基金會和戈登·戈弗雷研究基金的支持。

  早期的時鐘利用鐘擺的振幅來追蹤時間。在現代社會,人們利用石英晶體提供的高頻振蕩代替鐘擺。原子鐘借助激光誘導原子內的電子發生振蕩獲得高精確度。然而,由於電磁場能夠影響電子的運動,因而原子鐘會出現微小的誤差。

  原子內中子的質量遠遠大於電子的質量,同時其緊緊地包裹在原子核中。它們相對電子而言,不易受外界環境的干擾和影響。因此,原子核鍾同原子鐘相比,受外界環境影響的程度將要小得多。

  文章第一作者、庫茲米奇實驗室研究科學家科裡·坎普貝爾表示,激光通過獨特方式讓電子轉向,可將原子核內的中子作為鐘擺。因為中子緊緊地包裹在原子核中,因此其振蕩頻率幾乎不受任何外界因素的影響。

 

  為實現振蕩,研究人員計劃利用頻率為1000兆赫(10的15次方赫茲,petahertz)的激光器將釷229離子激發到更高的能態。調整激光以便產生更高的能態可讓科學家精確地設置振蕩頻率,該頻率能夠取代普通時鐘鐘擺的擺動用於計時。

  原子核鐘的離子需要保持在低溫(數10微開氏度)環境中處於靜止狀態。為創造和保持如此的低溫環境,物理學家通常使用激光冷卻。但是,在原子核時鐘系統中,激光製冷可能會出現問題,其原因是它已用激光來產生計時振蕩。

  為解決冷卻問題,研究人員在計時釷229離子基礎上增加了一個釷232離子,並用不同波長的激光來冷卻釷232離子,此舉同時冷卻了釷229離子,實現原子核時鐘所需的低溫環境,確保振蕩不受製冷激光束的影響。

  庫茲米奇實驗室研究生亞歷山大·拉德納伊夫說,冷卻用的釷232離子如同冰箱,它使得原子核時鐘的釷229離子十分穩定。這保障了對原子核時鐘離子的激發和精準性,讓其具有更高的性能。計算顯示,原子核時鐘的精度為10的負19次方秒,而好的原子時鐘為10的負17次方秒。

 

 

  原子核鍾離實際運行還需時日

  由於原子核時鐘和原子時鐘的運行存在著微小差別,因此它們有望今後同時用來檢測物理常數的不同。庫茲米奇表示,某些物理定律或許並非恆定,開發更好的時鐘將是研究這些問題的好途徑。

  研究人員於2003年提出了研發原子核時鐘的建議,雖然他們相信目前已向人們展示了製造原子核時鐘的潛力(可能性),但是他們同時也表示,獲得能夠運行的原子核時鐘還需要相當長的時間。最主要的挑戰是,儘管不同研究小組進行了多方面的努力,然而他們至今還沒有確定激光器(用於激發激發釷原子核)的準確頻率。

  坎普貝爾說,確定激發釷原子核的激光器的頻率比在一乾草堆中找一根針還要難,如同在100萬個乾草堆中找一根針。但是,庫茲米奇相信他們會解決這個問題,讓物理學家能夠獲得更精確的時鐘。他說,研究顯示打造原子核時鐘是值得的和可行的,現在已經擁有了前進的工具和計劃。




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