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美科学家提出原子核钟设想140亿年误差1/10秒

发布时间:2012年03月29日 14:31 | 进入复兴论坛 | 来源:中国科技网 | 手机看视频


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图为原子核钟设计的高度真空室。

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  中国科技网 华盛顿3月27日电 目前世界最精确原子钟的误差约为数亿年1秒,如英国国家物理实验室的NPL-CsF2铯原子钟,其1.38亿年的误差为正负1秒。但原子钟与研究人员正在研发的原子核钟的精确度相比,不过是小巫见大巫。美国和澳大利亚科学家表示,在他们制定的蓝图中,原子核时钟的精确度确定为140亿年(宇宙寿命)误差1/10秒,而帮助原子核钟实现极高精度的关键为钍离子核。

  目前最准确的原子钟被作为全球定位系统的基础,同时广泛用于重要的测量中。科学家认为,更高精度的原子核时钟具有多种潜在的应用价值,如保密通信以及基础物理学理论。有关原子核钟的文章刊登在近期出版的《物理评论快报》杂志上。

  原子核钟受外界影响更小更精准

  对于绝大多数应用,现有的原子时钟已经足够精确。但是,在有些应用中,更精确的时钟则会给予必要的帮助。文章合著者、美国佐治亚理工学院物理系教授阿莱克斯·库兹米奇表示,如果你能制造出更精确的时钟,那么人们就会有效地利用它。

  除佐治亚理工学院的物理学家外,美国内华达大学物理系和澳大利亚新南威尔士大学物理系的科学家也参与了原子核钟的研究工作。他们的研究得到了美国海军研究办公室、国家科学基金会和戈登·戈弗雷研究基金的支持。

  早期的时钟利用钟摆的振幅来追踪时间。在现代社会,人们利用石英晶体提供的高频振荡代替钟摆。原子钟借助激光诱导原子内的电子发生振荡获得高精确度。然而,由于电磁场能够影响电子的运动,因而原子钟会出现微小的误差。

  原子内中子的质量远远大于电子的质量,同时其紧紧地包裹在原子核中。它们相对电子而言,不易受外界环境的干扰和影响。因此,原子核钟同原子钟相比,受外界环境影响的程度将要小得多。

  文章第一作者、库兹米奇实验室研究科学家科里·坎普贝尔表示,激光通过独特方式让电子转向,可将原子核内的中子作为钟摆。因为中子紧紧地包裹在原子核中,因此其振荡频率几乎不受任何外界因素的影响。

  为实现振荡,研究人员计划利用频率为1000兆赫(10的15次方赫兹,petahertz)的激光器将钍229离子激发到更高的能态。调整激光以便产生更高的能态可让科学家精确地设置振荡频率,该频率能够取代普通时钟钟摆的摆动用于计时。

  原子核钟的离子需要保持在低温(数10微开氏度)环境中处于静止状态。为创造和保持如此的低温环境,物理学家通常使用激光冷却。但是,在原子核时钟系统中,激光制冷可能会出现问题,其原因是它已用激光来产生计时振荡。

  为解决冷却问题,研究人员在计时钍229离子基础上增加了一个钍232离子,并用不同波长的激光来冷却钍232离子,此举同时冷却了钍229离子,实现原子核时钟所需的低温环境,确保振荡不受制冷激光束的影响。

  库兹米奇实验室研究生亚历山大·拉德纳伊夫说,冷却用的钍232离子如同冰箱,它使得原子核时钟的钍229离子十分稳定。这保障了对原子核时钟离子的激发和精准性,让其具有更高的性能。计算显示,原子核时钟的精度为10的负19次方秒,而最好的原子时钟为10的负17次方秒。

  原子核钟离实际运行还需时日

  由于原子核时钟和原子时钟的运行存在着微小差别,因此它们有望今后同时用来检测物理常数的不同。库兹米奇表示,某些物理定律或许并非恒定,开发更好的时钟将是研究这些问题的好途径。

  研究人员于2003年提出了研发原子核时钟的建议,虽然他们相信目前已向人们展示了制造原子核时钟的潜力(可能性),但是他们同时也表示,获得能够运行的原子核时钟还需要相当长的时间。最主要的挑战是,尽管不同研究小组进行了多方面的努力,然而他们至今还没有确定激光器(用于激发激发钍原子核)的准确频率。

  坎普贝尔说,确定激发钍原子核的激光器的频率比在一干草堆中找一根针还要难,如同在100万个干草堆中找一根针。但是,库兹米奇相信他们会解决这个问题,让物理学家能够获得更精确的时钟。他说,研究显示打造原子核时钟是值得的和可行的,现在已经拥有了前进的工具和计划。(记者毛黎)