时间是什么?《Science》来重新定义

目前,全世界的计时标准都是用原子钟来定义秒,精度可以达到每2000万年才误差1秒(2000万年前我们还是猿人)。原子钟与我们平常见到的钟长得完全不一样,没有表盘,没有指针。原子钟计时依赖于原子。

原子由原子核电子组成,电子围绕原子核旋转形成不同能量差的电子层。当原子从一个高“能量态”跃迁至低“能量态”时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为9 192 631 770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

时间是什么?《Science》来重新定义
原子钟照片

 

然而,由于电子系统无法直接计数光信号,这些高性能的光学时钟还无法在电子领域大展拳脚,因此雷达、导航、通信和基础研究都依赖于不太稳定的微波源。

最近,美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员使用了最先进的原子钟、先进的光探测器和一种叫做频率梳的测量工具,将在光学频率下工作的原子钟的非常稳定性转变为微波频率,微波信号的稳定性提高了100倍。稳定的微波信号可以用于校准电子设备。这标志着朝着更好的电子技术迈出了巨大的一步,以实现更精确的授时、改进的导航、更可靠的通信以及雷达和天文学的高分辨率成像。

微波信号转换装置。黑色矩形(中心)是一种高速半导体光电二极管,可将激光脉冲转换为超稳定的微波频率。二极管周围有一个镀金的边界,里面嵌有电线。电线将导线连接到用于提取微波信号的铜电路(顶部)。整个装置靠在一块黄铜板上以保持机械稳定性。

在他们的装置中,研究人员使用NIST的两个镱晶格钟的“滴答声”来产生光脉冲,以及用作齿轮的频率梳来精确地将高频光脉冲转换成低频微波信号。先进的光电二极管将光脉冲转换成电流,进而产生一个10千兆赫(千兆赫,或每秒十亿个周期)的微波信号,精确跟踪时钟的滴答声,误差只有一百万的三次方(1后跟18个零)分之一。这种性能水平与光学时钟相当,比最好的微波源稳定100倍。

时间是什么?《Science》来重新定义
最新光源的分数频率稳定性比较

 

光波的周期比微波短,速度快,所以它们有不同的形状。在将稳定的光波转换成微波的过程中,研究人员跟踪了相位(波的确切时间),以确保它们是相同的,并且不会相互移动。实验跟踪了相位变化,其分辨率仅相当于一个周期的百万分之一。

首席研究员Frank Quinlan说,NIST系统的一些组件,如频率梳和探测器,现在已经准备好用于现场应用。但NIST的研究人员仍在致力于将最先进的光学时钟转移到移动平台上。镱钟的工作频率为518太赫兹(每秒万亿次循环),目前在高度控制的实验室环境中占据着很大的空间。

超稳定的电子信号可以支持广泛的应用,包括电子钟的未来校准。这是重新定义国际时间标准——国际单位秒的一个重要考虑因素,它现在是基于常规时钟中铯原子吸收的微波频率。未来几年,国际科学界有望根据镱等其他原子吸收的光频率来选择新的时间标准。超稳定的信号也可以使无线通信系统更加可靠。

光学衍生的电子信号可以使成像系统更加敏感。雷达的灵敏度现在受到微波噪声的限制,特别是对慢速物体,以后可能会大大提高。由NIST和弗吉尼亚大学合作生产的新型光电二极管,将光信号转换成比以前的设计更容易预测、噪音更低的微波信号。此外,微波还可以携带远距离光学钟的信号,用于导航和基础物理研究。

天文成像和测量地球引力形状的相对论大地测量,现在是基于检测在世界各地接收器的微波信号,并结合起来,形成物体的图像。这些接收器的远程校准可以使网络从地球进入太空成为可能,这将提高图像分辨率,避免限制观测时间的大气扭曲。用几个小时而不是几秒钟的观察时间,研究人员可以拍摄出更多的物体。

很多时候,我们不会在意一分一秒的差别,但是在科学上就不行,研究人员的“斤斤计较”,为的是创造更好的世界。

原文链接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/889

参考资料:

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