2018-11-29 06:46:01
NIST原子钟现在可以保持足够的时间来改善地球模型

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美国国家标准与技术研究院(NIST)的实验原子钟已经取得了三项新的性能记录,现在精确到足以不仅改善计时和导航,还可以检测来自重力,早期宇宙甚至暗物质的微弱信号。

时钟每个都捕获光学晶格中的一千个镱原子,激光束制成的网格。原子通过振动或在两个能级之间切换来打勾。通过比较两个独立的时钟,NIST物理学家在三个重要指标中取得了创纪录的成绩:系统不确定性,稳定性和可重复性。

11月28日在“自然”杂志上发表的新NIST时钟记录是:

系统性不确定性:时钟表示原子的自然振动或频率。美国国家标准与技术研究院的研究人员发现,每个时钟的滴答速率与自然频率相匹配,可能误差仅为1018的1.4分 - 约十亿分之一十亿分之一。

稳定性:时钟的频率在指定的时间间隔内变化多少,在一天内测量到1019(或0.00000000000000000032)中3.2个部分的水平。

再现性:两个时钟在相同频率下的接近程度,通过时钟对的10次比较显示,产生低于10-18级的频率差(再次,小于十亿分之一十亿分之一)。

“系统的不确定性,稳定性和可重复性可以被认为是这些时钟的'皇家同花',”项目负责人Andrew Ludlow说。 “两个时钟在这个前所未有的水平上的一致性,我们称之为可重复性,也许是最重要的一个结果,因为它基本上要求并证实了另外两个结果。”

“这尤其正确,因为所展示的可重复性表明,时钟的总误差低于我们在地球上对重力对时间的影响的一般能力。因此,正如我们设想的这样的时钟在全国或世界各地使用,他们的亲戚表演将首次受到地球引力效应的限制。“

爱因斯坦的相对论预言,原子钟的滴答声,即原子振动的频率,在强引力下运行时会向电磁波谱的红端减小。也就是说,时间在较低的高度上传递得更慢。

虽然这些所谓的红移会降低时钟的计时性能,但同样的灵敏度可以在其头部进行,以精确地测量重力。超灵敏时钟可以比以往更精确地映射时空的重力失真。应用包括相对论大地测量,它测量地球的引力形状,并检测来自早期宇宙的信号,如引力波,甚至可能是尚未解释的“暗物质”。

NIST的镱钟现在超过了传统的测量大地水准面的能力,或者基于潮汐测量海平面测量的地球形状。比较远离诸如不同大陆的这些时钟可以将大地测量解决到1厘米以内,优于几厘米的现有技术水平。

研究人员表示,在过去十年NIST和全球其他实验室公布的新时钟性能记录中,这篇最新论文展示了高水平的可重复性。此外,两个时钟的比较是评估性能的传统方法。

NIST最新的镱钟的改进包括热和电屏蔽,它们围绕原子以保护它们免受杂散电场的影响,使研究人员能够更好地表征和纠正由热辐射引起的频移。

镱原子是未来重新定义第二个国家时间单位的潜在候选者 - 就光学频率而言。 NIST的新时钟记录符合国际重新定义路线图的要求之一,与基于当前标准铯原子的最佳时钟相比,经过验证的精度提高了100倍,铯原子在较低的微波频率下振动。

NIST正在构建一种具有最先进性能的便携式镱晶格时钟,可以将其传输到世界各地的其他实验室进行时钟比较,并可以运行到其他地点以探索相对论的大地测量技术。

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