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原子是單位時(shí)間的極佳參考，因?yàn)樗鼈円悦鞔_定義的共振頻率發(fā)射和吸收光子，而共振頻率幾乎與環(huán)境干擾無(wú)關(guān)。因此，原子鐘的卓越準(zhǔn)確性使其成為用于計(jì)時(shí)和其他精確測(cè)量的出色儀器。在今天的這期Nature中，博爾德原子鐘光學(xué)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟報(bào)告了對(duì)位于科羅拉多州博爾德的三個(gè)世界領(lǐng)先時(shí)鐘進(jìn)行了精度的比較，這三個(gè)時(shí)鐘分別位于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和JILA研究所。作者們展示了他們的時(shí)鐘比較如何提供了對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的見(jiàn)解，并顯示了在國(guó)際單位制(SI)中重新定義秒的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

迄今為止，不同光鐘（使用不同種類的原子）頻率比值的最高測(cè)量準(zhǔn)確度，能把測(cè)量不確定度降到小數(shù)點(diǎn)后17位。此次，博爾德原子鐘光學(xué)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的研究人員對(duì)NIST的鋁離子時(shí)鐘、鐿時(shí)鐘以及JILA的鍶時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)比，這三個(gè)時(shí)鐘獲得的測(cè)量精度范圍，可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后18位。這次報(bào)道的測(cè)量結(jié)果是頻率比值不確定度首次小于小數(shù)點(diǎn)后17位。從原則上講，這種不確定性可以使時(shí)鐘精確地計(jì)時(shí)，以至于它們?cè)谟钪娴哪挲g中誤差不超過(guò)一秒鐘。這樣的光學(xué)時(shí)鐘將比銫時(shí)鐘精確100倍。

時(shí)鐘比較是通過(guò)使用飛秒頻率梳的儀器測(cè)量光學(xué)時(shí)鐘頻率的比率來(lái)進(jìn)行的。這次獲得高精度的頻率比測(cè)量值絕非易事，它相當(dāng)于確定從地球到月球的距離在幾納米之內(nèi)。為了嚴(yán)格評(píng)估測(cè)量中不確定性，博爾德原子鐘光學(xué)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的研究人員在整個(gè)光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中使用了額外的組件，以檢查是否有任何偏差源。作者以兩種方式鏈接了NIST和JILA的時(shí)鐘（圖1）。他們使用了3.6公里長(zhǎng)的光纖鏈路在所需的不確定性水平上連接光鐘之間的信號(hào)。此外，他們還通過(guò)使用NIST和JILA之間的空氣沿連接兩個(gè)研究所的直線發(fā)送激光脈沖，以1.5公里的“自由空間”鏈路比較了時(shí)鐘。他們發(fā)現(xiàn)，除了在暴風(fēng)雪期間無(wú)法從自由空間鏈接獲取數(shù)據(jù)的情況之外，這兩種類型的連接提供了相似的不確定性。

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圖1 光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的比較

這項(xiàng)研究結(jié)果表明，無(wú)需使用光纖基礎(chǔ)設(shè)施即可通過(guò)自由空間鏈接來(lái)連接高精度時(shí)鐘，這為實(shí)驗(yàn)室以外的應(yīng)用（如土地測(cè)量）提供了可能性。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，地球的引力使原子鐘的頻率取決于其高度。因此，可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)遠(yuǎn)程時(shí)鐘的頻率差來(lái)確定兩個(gè)遠(yuǎn)程時(shí)鐘之間的高度差。在最新工作中實(shí)現(xiàn)的測(cè)量不確定性水平上，時(shí)鐘比較可以解決厘米級(jí)的高度差。因此，時(shí)鐘可以為例如冰蓋或海平面的長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)提供新的工具。

除此之外，該項(xiàng)研究還展示了另一個(gè)引人入勝的應(yīng)用。作者使用時(shí)鐘頻率比來(lái)搜索原子與暗物質(zhì)之間可能相互作用的跡象，暗物質(zhì)是一種難以捉摸的物質(zhì)，預(yù)計(jì)將占宇宙中大部分物質(zhì)的比重。根據(jù)目前的理解，原子不會(huì)通過(guò)電磁力與暗物質(zhì)發(fā)生相互作用。但是，如果存在這些相互作用，則它們將導(dǎo)致原子鐘頻率發(fā)生微小變化。雖然作者在實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)到此類變化，但這個(gè)結(jié)果仍然有用。結(jié)合先前的數(shù)據(jù)，該發(fā)現(xiàn)表明，原子與特定類型暗物質(zhì)之間的任何電磁相互作用的最大強(qiáng)度比先前確定的強(qiáng)度低了近十倍。

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圖2 超輕暗物質(zhì)的約束

光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)還可以用于探索物理學(xué)的許多其他方面，因?yàn)樗鼈兊木仍试S以前所未有的分辨率獲得對(duì)我們周圍世界的測(cè)量。這樣研究的例子包括在更嚴(yán)格的水平上測(cè)試愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，以及尋找物理常數(shù)的可能變化。無(wú)論在重新定義秒，測(cè)量學(xué)還是基礎(chǔ)物理學(xué)的任何應(yīng)用中，時(shí)鐘比較越好，影響就越大。由于當(dāng)前的精度極限是由技術(shù)問(wèn)題而不是基本極限來(lái)確定的，因此在將來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行更好的測(cè)量是非常有希望的。

Nature 591, 534-535 (2021) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00738-0

Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) Collaboration*., Beloy, K., Bodine, M.I. et al. Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network. Nature 591, 564–569 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03253-4

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