原子钟精度提升将推动物理学进步

美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校联合成立的美国天体物理联合实验室(JILA)的科学家，成功开发出了迄今已知最精确的原子钟。这款原子钟不仅能精准计时，还有助在广阔的空间范围内进行精准导航，并可搜索新粒子。相关论文已经被最新一期《物理评论快报》杂志接收。

物理学家组织网在本月稍早时间报道中指出，随着原子钟精度的持续提升，它们将在引力波探测、暗物质探测等领域“大显身手”，有望帮助科学家以前所未有的精确度测试广义相对论等基本理论。而对于那些原子钟建造师来说，他们不仅在开发更好的时钟，更是在打造一把把揭示宇宙奥秘的“钥匙”，为未来的前沿技术奠定基础。

精度“更上一层楼”

当原子从一个能量态跃迁至更低能量态时，会释放出电磁波。这种不连续的电磁波频率，即为跃迁频率。同一种原子的跃迁频率是一定的。对于原子跃迁时辐射出来的电磁波频率，原子钟可把其作为一种节拍器来计时。也就是说，原子钟通过测量原子的跃迁频率，实现精准计时。

最早的原子钟使用微波波段照射原子，使原子发生跃迁，但光学频率远高于微波频率，更高频率也意味着更高的计时精度。

2022年，JILA物理学家叶军等人通过使用激光捕获、冷却和探测原子，研制出了当时最精确的原子钟，其如果运行150亿年，误差不到一秒。

在更小尺度测量广义相对论

高精度原子钟可能会对科学研究产生巨大影响。

叶军表示，他们新研制出来的原子钟非常精确，即使在微观尺度上，也能探测到广义相对论等理论预测的微小效应。

广义相对论认为，由于物质的存在，空间和时间会发生弯曲。其中一个关键预测是:时间本身受到引力的影响，而且引力场越强，时间过得越慢。2010年，NIST物理学家通过比较2个相距33厘米的原子钟验证了广义相对论。

叶军等人在《自然》杂志发表的论文中也指出，他们利用该原子钟已经证实，爱因斯坦的广义相对论所预测的时间膨胀在毫米尺度上是正确的——两个微小的原子钟，相隔仅一毫米，也会以不同速度运转。

这种在微观尺度上观察广义相对论效应的能力，有望帮助物理学家将量子力学与广义相对论统一起来。量子力学在极小尺度上描述物质，广义相对论则可在极大的宇宙尺度上预测物体的行为。原子钟能够探测到细小的引力效应，为广义相对论和量子理论“联姻”提供了可能性。

更精确的太空导航

更精确的原子钟还可以实现更精确的太空导航。

随着人类不断深入太阳系，原子钟将需要在很远距离保持精确计时。所谓失之毫厘，谬以千里，计时中极其微小的错误会造成导航错误，从而对整个探索活动产生巨大影响。叶军表示，如果科学家想让航天器精确降落在火星上，就需要比现在的全球定位系统精确几个数量级的原子钟，最新研制出的这个原子钟就有望助力实现这一目标。

除此之外，有些量子计算机以单个原子或者分子作为其基本信息处理单元，对这些原子或分子进行精准操控将提升量子计算机的性能，原子钟内精确操控单个原子的技术也在此找到了用武之地。

随着原子钟测量精度的进一步提升，科学家有望通过新现象增进对量子物理的理解。而对量子物理的新理解，反过来又可以促进实验技术的发展，让测量精度进一步提高。

叶军表示，原子钟既可作为探索量子力学与引力微妙关联的“显微镜”，也可作为窥探宇宙深渊、追寻引力波与暗物质踪迹的“望远镜”。

从时间流被引力扭曲的无穷小尺度，到暗物质和暗能量占据主导地位的广阔宇宙边界，原子钟早已不是一个计时设备，它已经成为科学家的“慧眼”，帮助他们发现更多新现象，揭示更多未解之谜。

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