2024-04-25 15:41 来源：得道网
超辐射原子可以帮助我们比以往更精确地测量时间。在一项新的研究中，哥本哈根大学的研究人员提出了一种测量时间间隔(秒)的新方法，减轻了当今最先进的原子钟遇到的一些限制。这一结果可能对太空旅行、火山爆发和GPS系统等领域产生广泛影响。
与公斤、米和开尔文等其他基本单位相比，秒是定义最精确的测量单位。目前，世界各地的原子钟都在测量时间，它们一起告诉我们现在是什么时间。原子钟利用无线电波不断地发送信号，使我们的电脑、手机和手表同步。
振荡是保持时间的关键。在落地钟中，这些振荡是钟摆每秒钟从一边摆动到另一边，而在原子钟中，它是一束激光，对应于锶的能量跃迁，每秒振荡大约一百亿亿次。
但根据尼尔斯·玻尔研究所的艾略特·玻尔博士——尼尔斯·玻尔的曾孙——的说法，即使是原子钟也可以变得更精确。这是因为大多数现代原子钟用来读取原子振荡的探测激光会使原子过热，从而使它们逃逸，从而降低了精度。
“因为原子需要不断地被新的原子所取代，而新的原子正在被制备，所以时钟的时间会稍微慢一点。因此，我们正试图克服目前世界上最好的原子钟的一些挑战和限制，其中包括重复使用原子，这样它们就不需要经常更换，”艾略特·玻尔解释说，他在尼尔斯·玻尔研究所从事这项研究时，他现在是科罗拉多大学的博士研究员。
他是发表在科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)上的一项新研究的主要作者，该研究使用了一种创新的、或许更有效的测量时间的方法。
超辐射和冷却到绝对零度
目前的方法包括一个热烤箱，将大约3亿个锶原子喷射到一个被称为磁光阱(MOT)的冷原子组成的异常寒冷的球中。这些原子的温度约为-273°C，非常接近绝对零度，并且有两个镜子，它们之间有一个光场来增强原子的相互作用。玻尔和他的同事们一起发明了一种读出原子的新方法。
艾略特·玻尔解释说:“当原子降落在真空室时，它们完全静止不动，因为它太冷了，这使得在真空室两端的两个镜子可以记录它们的振荡。”
研究人员之所以不需要用激光加热原子并摧毁它们，是因为一种被称为“超辐射”的量子物理现象。当一组锶原子纠缠在一起，同时在两个镜子之间的场中发光时，就会发生这种现象。
“镜子使原子表现为一个单一的单位。它们共同发出强大的光信号，我们可以用它来读出原子状态，这是测量时间的关键一步。这种方法对原子的加热最小，所以这一切都发生在不更换原子的情况下，这有可能使它成为一种更精确的测量方法，”玻尔解释说。
GPS，太空任务和火山爆发
根据艾略特·玻尔的说法，新的研究结果可能有助于开发更精确的GPS系统。事实上，大约有30颗卫星不停地环绕地球，告诉我们我们在哪里，它们需要原子钟来测量时间。
“每当卫星确定你的手机或GPS的位置时，你都在使用卫星上的原子钟。原子钟的精度非常重要，如果原子钟误差一微秒，就意味着地球表面误差约100米，”艾略特·玻尔解释说。
未来的太空任务是另一个研究人员预测更精确的原子钟会产生重大影响的领域。
“当人和飞行器被送入太空时，他们甚至会冒险远离我们的卫星。因此，在太空中导航需要精确的时间测量，”他说。
这一结果也可能有助于开发新一代更小、更便携的原子钟，这种原子钟的用途不仅仅是测量时间。
玻尔说:“原子钟对引力变化很敏感，因此可以用来探测地球质量和引力的变化，这可以帮助我们预测火山爆发和地震的发生时间。”
玻尔强调，虽然使用超辐射原子的新方法非常有前途，但它仍然是一个“概念证明”，需要进一步完善。
这项研究是由Niels Bohr研究所的Jörg Helge m
