在人类对完美的不懈追求中，科学家们创造出了一种原子钟，其精度和准确性超越了以往所有的时钟。这种新型时钟由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合机构 JILA 的研究人员研制，代表了计时技术的重大进步。
这台时钟能够在浩瀚无垠的太空中精确导航并寻找新的粒子，是最新的超越单纯计时的仪器。随着精度的提高，这些下一代计时器可以揭示隐藏在地下的矿藏，并以前所未有的严格程度检验广义相对论等基础理论。对于原子钟的设计者来说，这不仅仅是为了制造一个更好的时钟，而是为了揭开宇宙的秘密，并为未来世世代代影响我们世界的技术铺平道路。
世界科学界正在考虑根据这些下一代光学原子钟重新定义秒这一国际时间单位。现有一代原子钟用微波照射原子来测量秒。这种新型时钟用频率高得多的可见光波照射原子，可以更精确地计算出秒数。与目前的微波钟相比，光学钟有望为国际计时提供更高的精确度--每 300 亿年可能只损失一秒。
但是，在这些原子钟达到如此高的精度之前，它们必须具有极高的精度；换句话说，它们必须能够测量极小的几分之一秒。同时实现高精度和高准确度会产生巨大的影响。
新的 JILA 时钟使用被称为"光学晶格"的光网来捕获并同时测量数以万计的单个原子。拥有如此庞大的原子群在精度方面具有巨大优势。测量的原子越多，时钟就有越多的数据来精确测量秒。
由锶原子组成的极冷气体被困在被称为光晶格的光网中。原子被置于超高真空环境中，这意味着几乎没有空气或其他气体存在。这种真空环境有助于保护原子脆弱的量子态。图片中的红点是用于创建原子阱的激光的反射。图片来源：K. Palubicki/NIST
为了实现破纪录的新性能，与以前的光学晶格时钟相比，JILA 的研究人员使用了更浅、更柔和的激光"网"来捕获原子。这大大减少了两个主要的误差来源--捕获原子的激光的影响，以及原子挤得太紧时相互碰撞的影响。
研究人员在《物理评论快报》上介绍了他们的研究进展。
NIST和JILA的物理学家叶俊说："这个时钟非常精确，它甚至可以在微观尺度上探测到广义相对论等理论所预测的微小效应。它突破了计时的极限"。
广义相对论是爱因斯坦的理论，描述了引力是如何由空间和时间的扭曲引起的。广义相对论的主要预测之一是时间本身受引力影响--引力场越强，时间流逝越慢。
这种新的时钟设计可以在亚毫米尺度（大约一根头发丝的粗细）上检测相对论对计时的影响。将时钟调高或调低这么微小的距离，就足以让研究人员分辨出重力效应对时间流造成的微小变化。
这种在微观尺度上观测广义相对论效应的能力，可以大大缩小微观量子领域与广义相对论描述的大尺度现象之间的差距。
更精确的原子钟还能实现更精确的太空导航和探索。随着人类深入太阳系，时钟需要在遥远的距离上保持精确的时间。即使是微小的计时误差也会导致导航误差，而这种误差会随着距离的增加而呈指数增长。
"如果我们想让航天器准确无误地降落在火星上，我们就需要比现在的全球定位系统更精确的时钟，"叶俊说。"这一新时钟是实现这一目标的重要一步。"
用于捕获和控制原子的方法同样可以在量子计算方面取得突破。量子计算机需要能够精确操纵单个原子或分子的内部特性来执行计算。在控制和测量微观量子系统方面取得的进展极大地推动了这项工作。
通过探索量子力学和广义相对论交汇的微观领域，研究人员正在打开一扇门，让人们对现实本身的基本性质有新的认识。从时间流被引力扭曲的无限小尺度，到暗物质和暗能量控制的广阔宇宙前沿，这台时钟的精湛精度有望揭示宇宙最深层的奥秘。
"我们正在探索测量科学的前沿，"叶俊说。"当能以如此高的精度测量事物时，就会开始看到我们到目前为止还只能理论化的现象"。
编译自/ScitechDaily