下一代光學原子鐘可用于探測引力波

英國《自然》雜志29日在線發表的一項物理學研究指出，下一代光學原子鐘已經能比現有方法更精確地測量地球表面時空的引力扭曲。這一成果可用于探測引力波、檢測廣義相對論以及尋找暗物質。

時間的流逝并非絕對，而是取決于給定的參照標準。因此，時鐘的測量很容易受到相對速度、加速度和重力勢的影響。重力勢增加會導致山頂的鐘比地面的鐘走得更快。為了對引力場中不同位置的鐘進行比對，就需要一個共同的參照面。

地球上的參照面為大地水準面，大地水準面是與全球平均海水面重合的等勢面，目前由全球衛星定位系統和一個計入重力的大地水準面模型的高程測量確定。兩者當前均有幾厘米的不確定度，而使用原子鐘，就可以降低這種不確定度。

此次，美國國家標準與技術研究院（NIST）科學家威廉姆·麥克盧及其同事，根據三個基準表征了兩個鐿原子光晶格鐘。科學家們報告稱，以鐘頻為單位，系統不確定度為1.4×10-18，測量不穩定度為3.2×10-19，并能通過反復本地頻率比對，達到不同鐘頻差為10-19量級的再現性。如此高的精確度，已經可以確保大地水準面測定的不確定度小于1厘米，遠超過現有技術。

研究人員表示，原子鐘是基于特定原子躍遷在光頻波段的測量。下一代原子鐘對引力的相對論效應非常靈敏，甚至可以用作引力位探測器。

在2016年，NIST的物理學家曾利用鐿原子鐘創造了原子鐘穩定性的世界紀錄。鐿原子鐘需要鐿原子冷卻，然后將其封閉到由激光制成的光晶格“容器”中，每秒“滴答”至少數百萬億次的光晶格會引發這些原子在兩個能量級之間“擺動”，最終制成了超級穩定的原子鐘。（張夢然）