锶原子光晶格钟是什么钟?生活里用得到吗?

锶原子光晶格钟是什么钟?生活里用得到吗?

很难在日常生活中得到应用

华商报:为什么锶原子(87Sr)被选作“钟摆”?其他原子行吗?

卢晓同:除了锶原子87Sr和88Sr(以及它们的离子87Sr+和88Sr+),还有很多原子或离子同样可以作为“钟摆”,包括:镱原子171Yb(及其离子171Yb+)、汞原子199Hg(及其离子199Hg+)、铥原子169Tm、铍原子钙离子40Ca+和铝离子27Al+等。由于具备丰富的同位素、超长钟跃迁能级激发态寿命和易于进行原子激光冷却等优点,锶原子(87Sr)当前是被研究得最多的,对其原子结构的研究也较其他候选元素深入很多。

华商报:这么准的钟,普通人能感受到吗?生活里用得到吗?

卢晓同:如此高精度的光钟很难在日常生活中得到应用。然而,时间测量精度的提升对于基础科学研究意义非凡,包括为深空导航提供时频基准、大幅度提升甚长基干涉望远镜的测量时间、用于相对论测地学和重力场变化检测等。

对国家战略安全至关重要

华商报:光晶格钟一般应用于什么领域?它对国家科技发展有啥战略意义?

卢晓同:光晶格钟作为目前世界上最精准的计时工具之一,主要应用领域包括:时间基准与全球定位系统(光晶格钟的极高精度可用于重新定义国际单位制“秒”,未来将取代现有的铯原子钟标准,为卫星导航(如GPS、北斗)提供时间基准);基础科学研究(如,验证广义相对论,暗物质与引力波探测,量子计模拟和相对论测地学等)。

光晶格钟对国家科技发展具有重要的战略意义,包括:提升国际标准话语权,掌握下一代时间定义技术,增强在全球计量体系中的影响力;推动高精尖技术突破,光晶格钟涉及激光冷却、量子调控、超稳光学等前沿科技,可带动光电子、精密制造等产业发展;增强国防与信息安全,高精度时间同步是现代化战争和信息网络的核心基础,自主可控的原子钟技术对国家战略安全至关重要。

160亿年“不差1秒”咋验证的?

华商报:未来手机上会用光晶格钟吗?

卢晓同:未来手机不太可能直接使用光晶格钟,但光钟的衍生技术可能间接影响移动设备,比如:卫星搭载光晶格钟后,手机GPS/北斗的定位精度可能提升至毫米级;光晶格钟技术可能推动下一代通信标准,为6G/量子通信服务。

华商报:“160亿年不差1秒”的结论是怎么验证的?是用超级计算机模拟,还是通过长期观测对比?

卢晓同:这个结果并不是超级计算机量子模拟的结果,而是通过简单的数据计算获得:考虑光钟的系统不确定度为2×10-18(其表明系统的误差评估存在2×10-18的不确定度,最坏的情况是这个误差随时间直接累计),因此,误差1秒所需要的时间就是1/(2×10-18)s≈160亿年。

已超越欧盟和日本仅次于美国

华商报:未来光晶格钟还能更准吗?有没有理论上的“极限”?

卢晓同:从技术发展的角度很难给光晶格钟的长期发展极限作出预测,在从目前光晶格原子钟的主要系统频移项黑体辐射频移和晶格光交流斯塔克频移的测量精度而言,在达到3×10-19以后就很难再有进一步突破了,即意味者1100亿年误差1秒。

华商报:我国的光晶格钟技术在国际上处于什么水平?全球第几?这次突破对全球时间计量标准(比如“秒”的定义)会有影响吗?

卢晓同:我国近年在光晶格钟领域频频取得佳绩,光晶格钟在精度方面已经超越了欧盟和日本,仅次于美国。此次国家授时中心成功研制了系统不确定度和不稳定度均低于2×10-18的锶原子光晶格钟,意味着世界上有了三台系统不确定度低于2×10-18的锶原子光晶格钟。这使得锶原子光晶格钟成为首个完全满足光学“秒”定义变更对光钟性能提出的要求,将有可能改变光学“秒”定义变更的路线,后者至少使得锶原子光晶格钟在光学“秒”定义过程中拥有更大的话语权。

珠峰上光晶格钟的时间流速更快

华商报:如果将光晶格钟放在珠峰和海底,时间会不同吗?

卢晓同:由于地球引力场对其周围时空的弯曲,越是靠近地球的物体,其时间的流逝速度就越慢(对应的频率越低)。因此如果将同一台光晶格钟分别放在珠峰和海底,珠峰上光晶格钟的时间流逝速度会更快,对应的输出频率会更高。

华商报:科幻电影里的“时间机器”与光晶格钟有关系吗?

卢晓同:这两者没有直接关联。科幻电影里的时间机器能够让物体回到过去的世界,这个以当前的理论来说是不可能的。时间是被创造出来用于方便描述物质的运动的一个物理量,而光晶格钟是用于定义时间基本刻度“1秒”的科学仪器。 华商报大风新闻记者 任婷返回搜狐,查看更多

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