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ipfs算力网(www.ipfs8.vip):比原子钟更准确的是?_万利逆熵

admin2021-10-2690

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自人类文明伊始,我们就最先行使一些能考察到的周期性征象举行计时。太阳东升西落,人们学会在地上竖起一根木棍,通过步测影子的长度读出时间,这就是最初的时钟,也被称为日规。尔后,人们在日规的基础上生长出更精巧的日晷。厥后,水钟钟摆的泛起使得计时越来越不依赖自然的日光。

现在,原子的振荡是科学家现在所能观察到的最稳固的周期性事宜,而原子钟也成了目宿天下上最准确的计时器,它的稳固水平甚至跨越了自然行星系统的运行。现今最准确的光学原子钟差不多能准确到10 分之一,换句话说,若是它从宇宙大爆炸之初就最先运行,一直走到今天,误差也不跨越1秒。

核钟的艺术家畅想图。| 图片泉源:P. G. Thirolf et al., Ann. Phys. 531, 1800381 (2019)

然而科学家并没有止步于此,他们正起劲制造出一种比原子钟更准确的时钟。它被称为核钟,甚至可能成为有史以来最准确的计时器,据估量,其精度可以到达原子钟的10倍。物理学家信托,随着时钟准确度的不停提高,它们能辅助探索更多问题,将探索的眼光推向更极致的边缘。

原子钟行使的是电子的能量跃迁来计时。凭证量子物理学,原子中的电子在特定的能级上只能携带一定量的能量。为了使原子中的电子从一个能级到达另一个能级,必须用适当频率的激光照射原子。这一频率,也就是光的电磁波振荡的速率,就可以作为一个异常准确的计时器。

原子中的电子及其能级简化示意图。| 图片泉源:岳岳 / 原理

就像原子中的电子一样,原子核里的质子和中子同样占有着不延续的能级。但差其余是,原子核受到壮大的核力作用,这种力将质子和中子牢牢绑在一起。

原则上来说,物理学家可以行使原子核的物理特征,制造出全新的核钟。核钟能通过核能级之间的跃迁,而不是电子能级的跃迁来计时。值得注重的是,由于原子核比原子的电子壳层小得多,它对外界的扰动加倍不敏感。原子核能够抵御会滋扰原子钟的杂散电场或磁场的影响。因此一些物理学家信托,核钟更稳固,也更准确

但问题在于,若是要用原子核计时,就需要引发原子核能级之间的跃迁。科学家清晰,对大多数原子核来说,激光或许“力所不能及”,这需要比激光更高能量的光。幸运的是,在所有已知的原子核中,物理学家已经发现了一个破例,那是个“怪咖”:在钍-229中,有一对能量足够靠近的相邻能级,激光就有可能引发跃迁。

更准确地丈量这种跃迁的能量,即是制作钍核钟的要害一步。2019年《自然》杂志上的论文报道,一组物理学家通过丈量原子核在两个能级之间跃迁时发射的电子来估算其能量。在2020年的一项新研究中,研究职员丈量了钍原子核能够发生的其他能量跃迁,减去它们,就可以推断出核钟跃迁的能量。

自1994年起揭晓的钍-229能值,差异形状标识代表差异研究,最后四组(星标)即为最新研究获得的新数据。红色粗线代表着最近8次丈量的加权均值,约莫为8.12±0.11eV,相当于152.7±2.1 nm的波长。| 图片泉源:L. von der Wense/JILA; adapted by APS/Alan Stonebraker

研究职员一致以为,这种跃迁的能量约莫是8电子伏特多一点,这种能量相当于紫外线的波长局限,在这种情形下,用激光引发跃迁是可能的,但也正处于现在科学家能力极限的边缘

在领会跃迁能量的巨细之后,科学家下一步的目的就是用激光触发它,并在未来数年内制作出真正的核钟。现在,科学家实验的方式包罗频率梳电子桥等。频率梳是一种确立激光不延续频率阵列的方式,它有望启动跃迁,并更准确地丈量其能量;而电子桥的大致原理则是使激光首先引发电子,然后再将能量转移到原子核。

不少物理学家信托,更准确的时钟可以推动依赖于它们的手艺的改善,好比GPS导航。核钟还可以让人们对物理学中的基本头脑举行新的测试,许多物理学家感兴趣的是,它可以辅助确定自然中的一些基本常数是否会随时间而转变。

例如,一些研究解释,细腻结构常数(决议电磁相互作用强度的数字)在某些情形下可能会发生转变,而核钟就是寻找基本常数转变的完善系统。这些装置同样能够测试爱因斯坦的广义相对论的基础,也就是所谓的等效原理。这种极为准确的时钟甚至另有潜力用于寻找暗物质,或者解决物理学中的一些大问题,辅助揭开物理学的新篇章。

#创作团队:

编译:毛尖尖

#参考泉源:

https://www.sciencenews.org/article/nuclear-clock-atomic-most-precise-time-physics

https://physics.aps.org/articles/v13/152

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/milestones-on-the-way-to-the-nuclear-clock-1

#图片泉源

封面图:TU WIEN

泉源:原理

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