時(shí)鐘和抽象背景 圖片來(lái)源：stock image

原子鐘是世界上最精確的計(jì)時(shí)儀器，可使用激光測(cè)量以恒定頻率振動(dòng)的原子，就像許多微小的同步擺動(dòng)的鐘擺一樣。世界上最好的原子鐘可以非常精確地計(jì)時(shí)，如果它們從宇宙誕生之初就開(kāi)始運(yùn)行，到今天誤差只會(huì)約半秒。

盡管如此，它們可以更加精確。若如此，科學(xué)家就能足夠靈敏地探測(cè)到暗物質(zhì)和引力波等現(xiàn)象，也可以開(kāi)始回答一些令人費(fèi)解的問(wèn)題，比如引力對(duì)時(shí)間流逝可能有什么影響，以及時(shí)間本身是否會(huì)隨著宇宙年齡的增長(zhǎng)而變化。

最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)家設(shè)計(jì)的一種新型原子鐘可使科學(xué)家探索這些問(wèn)題，并可能揭示新的物理學(xué)。研究人員在12月16日發(fā)表于《自然》的一項(xiàng)報(bào)告中說(shuō)，他們已經(jīng)建造了一個(gè)原子鐘，其測(cè)量的不是現(xiàn)在最先進(jìn)的設(shè)計(jì)測(cè)量的隨機(jī)振動(dòng)的原子云，而是被量子糾纏的原子。原子以一種不可能根據(jù)經(jīng)典物理定律的方式相互關(guān)聯(lián)，這使得科學(xué)家能夠更精確地測(cè)量原子的振動(dòng)。

這種新裝置在沒(méi)有糾纏的情況下，能以比時(shí)鐘快4倍的速度達(dá)到同樣的精度。

“糾纏增強(qiáng)光學(xué)原子鐘有可能在1秒內(nèi)達(dá)到比目前最先進(jìn)的光學(xué)鐘更高的精度?！痹撗芯恐饕髡?、麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后Edwin Pedrozo-Penafiel說(shuō)。

如果最先進(jìn)的原子鐘能像麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的裝置那樣用于測(cè)量糾纏原子，它們的計(jì)時(shí)將會(huì)改進(jìn)，這樣，在整個(gè)宇宙的年齡中，時(shí)鐘的誤差將不到100毫秒。

從人類(lèi)開(kāi)始追蹤時(shí)間流逝起就一直使用周期性現(xiàn)象，例如太陽(yáng)在天空中的運(yùn)動(dòng)。今天，原子的振動(dòng)是科學(xué)家所能觀(guān)察到的最穩(wěn)定的周期性事件。此外，一個(gè)銫原子會(huì)以與另一個(gè)銫原子完全相同的頻率振蕩。

為了精確計(jì)時(shí)，理想情況下原子鐘會(huì)追蹤單個(gè)原子的振蕩。但原子是如此之小，其行為取決于量子力學(xué)的神秘規(guī)則：在測(cè)量時(shí)，其行為就像拋硬幣，只有在多次拋擲平均后才能給出正確的概率。這個(gè)極限就是物理學(xué)家所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)量子極限?！爱?dāng)增加原子的數(shù)量時(shí)，所有原子給出的平均值都趨向于給出正確的值?！痹撐恼鹿餐髡?Simone Colombo說(shuō)。

這就是為什么今天的原子鐘被用來(lái)測(cè)量由數(shù)千種相同類(lèi)型的原子組成的氣體，以得到它們的平均振蕩的估計(jì)數(shù)。典型的原子鐘是這樣做的：首先使用一套激光系統(tǒng)將一團(tuán)超高密度原子的氣體困住在一個(gè)由激光形成的陷阱里。第二束非常穩(wěn)定的激光，頻率接近于原子的振動(dòng)頻率，用來(lái)探測(cè)原子的振動(dòng)，從而記錄時(shí)間。

然而，標(biāo)準(zhǔn)量子極限仍在發(fā)揮作用，這意味著，即使在成千上萬(wàn)個(gè)原子中，關(guān)于它們的確切的單個(gè)頻率，仍然存在一些不確定性。這就是Vuletic和團(tuán)隊(duì)證明量子糾纏可能有幫助的地方。一般來(lái)說(shuō)，量子糾纏描述的是一種非經(jīng)典物理狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一組原子顯示出相關(guān)的測(cè)量結(jié)果，盡管每個(gè)原子的行為就像隨機(jī)拋硬幣一樣。

研究小組推斷，如果原子被糾纏，它們各自的振蕩將在一個(gè)共同頻率附近收緊，與沒(méi)有糾纏的情況相比，偏差更小。因此，原子鐘測(cè)量的平均振蕩，其精度將超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

在新原子鐘中，Vuletic和合作者讓350個(gè)鐿原子纏繞，這些鐿原子以可見(jiàn)光的高頻率振動(dòng)，這意味著任何一個(gè)原子在一秒內(nèi)振動(dòng)的頻率都比銫高10萬(wàn)倍。如果鐿的振蕩可以被精確地追蹤，科學(xué)家就可以用原子區(qū)分更小的時(shí)間間隔。

該小組使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)冷卻原子，并將它們困在由兩個(gè)鏡子組成的光學(xué)腔中。然后，他們通過(guò)光學(xué)腔發(fā)射一束激光，激光在反射鏡之間來(lái)回碰撞，與原子發(fā)生了數(shù)千次的相互作用。

“這就像是光充當(dāng)了原子之間的通訊紐帶。”共同作者Chi Shu解釋說(shuō)。“第一個(gè)看到這束光的原子會(huì)輕微地改變這束光，這束光也會(huì)改變第二個(gè)原子，第三個(gè)原子，經(jīng)過(guò)許多個(gè)周期，原子集體地認(rèn)識(shí)彼此，并開(kāi)始有相似的行為。”

通過(guò)這種方式，研究人員將原子進(jìn)行量子纏繞，然后使用另一種類(lèi)似于現(xiàn)有原子鐘的激光來(lái)測(cè)量它們的平均頻率。當(dāng)研究小組在沒(méi)有原子糾纏的情況下進(jìn)行類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)有糾纏原子的原子鐘達(dá)到預(yù)期精度的速度要快4倍。

“你可以通過(guò)測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)讓時(shí)鐘更精確?！盫uletic說(shuō)，“問(wèn)題是，你需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到某個(gè)精度。許多現(xiàn)象需要用快速的時(shí)間尺度來(lái)衡量?！彼f(shuō)，如果當(dāng)今最先進(jìn)的原子鐘能夠被用于測(cè)量量子糾纏的原子，它們不僅能準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，還能幫助破譯宇宙中的信號(hào)，如暗物質(zhì)和引力波，并開(kāi)始回答一些古老的問(wèn)題。

“隨著宇宙年齡的增長(zhǎng)，光速會(huì)發(fā)生變化嗎？”電子的電荷會(huì)改變嗎?”Vuletic問(wèn)道，“這就是你可以用更精確的原子鐘來(lái)探測(cè)的事物?！?br>


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話(huà)框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀(guān)鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀(guān)鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)