時間是什麼?《Science》來重新定義

目前,全世界的計時標準都是用原子鐘來定義秒,精度可以達到每2000萬年才誤差1秒(2000萬年前我們還是猿人)。原子鐘與我們平常見到的鐘長得完全不一樣,沒有表盤,沒有指針。原子鐘計時依賴於原子。

原子由原子核電子組成,電子圍繞原子核旋轉形成不同能量差的電子層。當原子從一個高“能量態”躍遷至低“能量態”時,它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續的,這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為9 192 631 770Hz。因此銫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。

時間是什麼?《Science》來重新定義
原子鐘照片

然而,由於電子系統無法直接計數光信號,這些高性能的光學時鐘還無法在電子領域大展拳腳,因此雷達、導航、通信和基礎研究都依賴於不太穩定的微波源。

最近,美國國傢標準與技術研究所(NIST)的研究人員使用瞭最先進的原子鐘、先進的光探測器和一種叫做頻率梳的測量工具,將在光學頻率下工作的原子鐘的非常穩定性轉變為微波頻率,微波信號的穩定性提高瞭100倍。穩定的微波信號可以用於校準電子設備。這標志著朝著更好的電子技術邁出瞭巨大的一步,以實現更精確的授時、改進的導航、更可靠的通信以及雷達和天文學的高分辨率成像。

微波信號轉換裝置。黑色矩形(中心)是一種高速半導體光電二極管,可將激光脈沖轉換為超穩定的微波頻率。二極管周圍有一個鍍金的邊界,裡面嵌有電線。電線將導線連接到用於提取微波信號的銅電路(頂部)。整個裝置靠在一塊黃銅板上以保持機械穩定性。

在他們的裝置中,研究人員使用NIST的兩個鐿晶格鐘的“滴答聲”來產生光脈沖,以及用作齒輪的頻率梳來精確地將高頻光脈沖轉換成低頻微波信號。先進的光電二極管將光脈沖轉換成電流,進而產生一個10千兆赫(千兆赫,或每秒十億個周期)的微波信號,精確跟蹤時鐘的滴答聲,誤差隻有一百萬的三次方(1後跟18個零)分之一。這種性能水平與光學時鐘相當,比最好的微波源穩定100倍。

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最新光源的分數頻率穩定性比較

光波的周期比微波短,速度快,所以它們有不同的形狀。在將穩定的光波轉換成微波的過程中,研究人員跟蹤瞭相位(波的確切時間),以確保它們是相同的,並且不會相互移動。實驗跟蹤瞭相位變化,其分辨率僅相當於一個周期的百萬分之一。

首席研究員Frank Quinlan說,NIST系統的一些組件,如頻率梳和探測器,現在已經準備好用於現場應用。但NIST的研究人員仍在致力於將最先進的光學時鐘轉移到移動平臺上。鐿鐘的工作頻率為518太赫茲(每秒萬億次循環),目前在高度控制的實驗室環境中占據著很大的空間。

超穩定的電子信號可以支持廣泛的應用,包括電子鐘的未來校準。這是重新定義國際時間標準——國際單位秒的一個重要考慮因素,它現在是基於常規時鐘中銫原子吸收的微波頻率。未來幾年,國際科學界有望根據鐿等其他原子吸收的光頻率來選擇新的時間標準。超穩定的信號也可以使無線通信系統更加可靠。

光學衍生的電子信號可以使成像系統更加敏感。雷達的靈敏度現在受到微波噪聲的限制,特別是對慢速物體,以後可能會大大提高。由NIST和弗吉尼亞大學合作生產的新型光電二極管,將光信號轉換成比以前的設計更容易預測、噪音更低的微波信號。此外,微波還可以攜帶遠距離光學鐘的信號,用於導航和基礎物理研究。

天文成像和測量地球引力形狀的相對論大地測量,現在是基於檢測在世界各地接收器的微波信號,並結合起來,形成物體的圖像。這些接收器的遠程校準可以使網絡從地球進入太空成為可能,這將提高圖像分辨率,避免限制觀測時間的大氣扭曲。用幾個小時而不是幾秒鐘的觀察時間,研究人員可以拍攝出更多的物體。

很多時候,我們不會在意一分一秒的差別,但是在科學上就不行,研究人員的“斤斤計較”,為的是創造更好的世界。

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/889

參考資料:

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