當(dāng)停電后又恢復(fù)供電時(shí)，您如何知道將時(shí)鐘設(shè)置為幾點(diǎn)？你有沒有想過時(shí)間是如何調(diào)節(jié)的？

在美國(guó)，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)海軍天文臺(tái)主時(shí)鐘(USNO) 規(guī)定，它是國(guó)防部的官方時(shí)間來源。這些機(jī)制的影響以鬧鐘、計(jì)算機(jī)、打錄機(jī)和會(huì)議日程表的形式被我們所有人感受到。我們將學(xué)習(xí)所有關(guān)于原子鐘的知識(shí)，以及它們?nèi)绾巫屖澜邕\(yùn)轉(zhuǎn)！

如果您閱讀過GPS 接收器的工作原理，您就會(huì)知道原子鐘對(duì)系統(tǒng)極其重要。您還經(jīng)常在新時(shí)鐘的廣告中聽到原子鐘，這些時(shí)鐘會(huì)自動(dòng)與科羅拉多州博爾德的原子鐘同步。原子鐘對(duì)各種科學(xué)事業(yè)也很重要。

那么讓我們從時(shí)鐘的一般概念開始。時(shí)鐘的工作是記錄時(shí)間的流逝。所有時(shí)鐘都通過計(jì)算“諧振器”的“滴答聲”來做到這一點(diǎn)。

在擺鐘中，諧振器是一個(gè)鐘擺，時(shí)鐘中的齒輪通過計(jì)算鐘擺的共振（來回?cái)[動(dòng)）來記錄時(shí)間。鐘擺通常以每秒擺動(dòng)一次的頻率共振。數(shù)字時(shí)鐘使用電力線上的振蕩（美國(guó)每秒 60 周，歐洲每秒 50 周）或石英晶體的振蕩作為諧振器，并使用數(shù)字計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。時(shí)鐘的精度取決于指定頻率下諧振器的精度。

原子鐘是使用原子的共振頻率作為其諧振器的時(shí)鐘。根據(jù)大英百科全書，諧振器“由原子或分子的量子躍遷（能量變化）發(fā)射或吸收的微波電磁輻射的頻率調(diào)節(jié)”。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是原子以極其一致的頻率共振。如果你拿任何銫原子并讓它共振，它會(huì)以與任何其他銫原子完全相同的頻率共振。銫 133 的振蕩頻率為每秒 9,192,631,770 次。這種精度與石英鐘的精度完全不同。在石英鐘中，石英晶體的制造使其振蕩頻率接近某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率；但是制造公差會(huì)導(dǎo)致每個(gè)晶體略有不同，溫度等因素會(huì)改變頻率。銫原子總是以相同的已知頻率共振——這就是原子鐘如此精確的原因。

如果您認(rèn)為Apple Watch是最酷的計(jì)時(shí)產(chǎn)品，請(qǐng)三思。德國(guó)Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)的科學(xué)家剛剛在 Physical Review Letters 雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于歷史上最準(zhǔn)確計(jì)時(shí)設(shè)備的論文。它大大擊敗了之前的冠軍原子鐘。事實(shí)上，新的單離子時(shí)鐘非常精確，可能迫使我們重新定義“秒”是什么。

要了解單離子鐘，就必須先了解它的前身原子鐘?？茖W(xué)家們花了很多時(shí)間觀察原子。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子的電子在原子中從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)，它們會(huì)做很多可預(yù)測(cè)和可檢測(cè)的事情（還記得你在學(xué)校必須畫的那些電子云嗎？）。在原子鐘中，原子被迫相對(duì)靜止，然后用已知頻率（如激光或微波）的能量發(fā)射。電子由于這種能量爆炸而移動(dòng)，而時(shí)鐘會(huì)計(jì)算這些移動(dòng)。時(shí)鐘通過結(jié)合兩個(gè)已知事物（電子的行為和能量爆炸的特性）來計(jì)算一個(gè)未知事物（已經(jīng)過去了多少時(shí)間）來知道過去了多少時(shí)間。

計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性是通過每個(gè)“滴答”的長(zhǎng)度與其他“滴答”的長(zhǎng)度相匹配的精確程度來衡量的。原子鐘的計(jì)時(shí)形式非常準(zhǔn)確，以至于我們目前對(duì)“秒”的定義來自目前最好的原子鐘——銫原子鐘?？茖W(xué)家通過他們的系統(tǒng)不確定性水平來衡量時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，這是一種錯(cuò)誤率。

德國(guó)人的單離子鐘在這一點(diǎn)上擊敗了原子鐘的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。其系統(tǒng)不確定性為 3 x 10 -18。這比銫原子鐘好 100 倍，這是自從物理學(xué)家漢斯·德梅爾特 (Hans Dehmelt) 在 1981 年表示這是可能的以來，科學(xué)家們一直在努力達(dá)到的精度。

PTB 單離子鐘使用鐿離子 Yb+，但英國(guó)和中國(guó)也有基于其他離子（如 Sr+、Ca+ 和 Al+）的單離子鐘研究項(xiàng)目。

在 PTB 從事光學(xué)時(shí)鐘工作的 Christian Tamm 博士通過電子郵件告訴我們，“這些離子系統(tǒng)中的每一個(gè)在精度潛力和技術(shù)復(fù)雜性方面都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。”

Tamm 補(bǔ)充道，“Yb+ 似乎具有挑戰(zhàn) Al+ 的高精度潛力，但也許基于 Yb+ 的時(shí)鐘更容易實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。”

這一發(fā)現(xiàn)比僅僅確保您準(zhǔn)時(shí)參加下一次游泳比賽具有更大的意義。超精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)對(duì)GPS乃至互聯(lián)網(wǎng)都產(chǎn)生了巨大的影響。PTB希望使用它的時(shí)鐘來檢驗(yàn)物理理論。

科學(xué)家們提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來尋找具有雙拉子相互作用的超輕標(biāo)量暗物質(zhì) (DM)。在存在CP違反。超輕膨脹子 DM 充當(dāng)背景場(chǎng)，可以在標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)（例如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和質(zhì)子-電子質(zhì)量比）中引起微小但相干的振蕩。這些微小的變化可以通過原子鐘的精確頻率比較來檢測(cè)。我們的實(shí)驗(yàn)將當(dāng)前對(duì)基本常數(shù)漂移的搜索擴(kuò)展到動(dòng)機(jī)良好的高頻區(qū)域。我們提出的設(shè)置可以探測(cè)比1個(gè)0?15??電子伏特具有發(fā)現(xiàn)雙拉子耦合的潛力1個(gè)0?11倍重力強(qiáng)度，將電流等效原理的界限提高了多達(dá) 8 個(gè)數(shù)量級(jí)。我們指出潛力1個(gè)04個(gè)未來光學(xué)和核鐘的靈敏度增強(qiáng)，以及引力波探測(cè)器中可能的特征。最后，我們討論了超輕標(biāo)量 DM 的宇宙學(xué)約束和天體物理學(xué)提示，并表明它們與我們提議的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可訪問的參數(shù)范圍互補(bǔ)并兼容。