科学家成功研制新型激光时钟 20亿年误差不到1秒

北京时间2月10日消息，据英国《泰晤士报》报道，科学家们目前已经成功地研制出了新一代的激光时钟，这种时钟计时极其精准，在20亿年时间里几乎不会产生1秒的误差。这种迄今计时最为精准的激光时钟未来可应用于卫星导航，其在追踪地面移动目标时精度可以保持在1米以内。

　　科学家们设计制造的这种新型时钟以激光作为测量参考，能够使得20亿年的时间误差不超过1秒。未来，这种新型时钟可以广泛应用在地面卫星导航上，将使得汽车自动驾驶成为可能。在技术应用成熟后，甚至可以实现无人驾驶的飞机精准着陆。在取得上述成就后，美国、英国、德国、法国和日本等多个国家的科学家还准备在这一研究领域继续展开竞赛，以便能够设计制造出更加精准的时钟。他们的目标就是将时钟的时间精准到自137亿年前宇宙大爆炸以来分秒不差。科学家们相信十年内这种时钟必将实现。由于这种新的时钟是采用激光来测量和同步原子振动频率，因此它们通常也被称为光学时钟。通过这种技术，时钟将可以把时间分成更小的分量。

　　此前，世界上最为先进的时钟是由美国国家标准与技术研究所所研制。它通过测量水银离子中电子的振动，可以保持17亿年的精确运行而分秒无差。以前最为精确的计时设备是原子钟，可以实现8000万年精确度误差在一秒之内。对比之下，一只普通的手表一个月内会误差大约15秒。位于法国巴黎的国际度量衡委员会计划到2020年实现用光学时钟取代原子钟。该委员会负责时间与频率的执行秘书伊莉斯-阿里亚斯介绍说，“光学时钟代表着时钟的未来，这是一项非常振奋人心的发明。到2015年，我们将取得阶段性成果。”光学时钟最重要的用途将可能是全球卫星定位系统，用于跟踪飞机、舰船和汽车等。全球卫星定位系统接收由卫星发出的微波信号，主要是通过测量信号开始抵达的时间进行同步，可以将地面的某一物体锁定于10米范围之内。

　　科学家们相信，如果在卫星上安装有光学时钟，他们就可以将目标定位于1米范围之内。这种精度可以用于汽车或飞机的自动驾驶。当然，除了这些外，科学家们对于光学时钟的用途还有更高的期望。他们希望光学时钟能够帮助他们检验物理学的基本定律。美国国家标准与技术研究所物理学家蒂尔-罗森邦德认为，“光学时钟还可以用于检测宇宙的基本属性。我们甚至还可以依靠这种精度发现物理学领域基本定律的变化。”根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“ 能量态”时，它便会释放电磁波。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子就可以用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

　　普通钟表在测定时间时必须依靠固定的振动频率，机械表的摆轮频率每秒5次或6次，音叉钟的频率每秒几百至几千次。石英钟表的振动频率是由微小的石英片的振动产生的，其固定振动频率每秒32000次。铯原子钟振动频率高达9.19×109次。振动频率越高，计时就会越精确。1967年，由于原子钟的研究取得了巨大的进展，人们开始重新给秒确定定义，即按照铯原子的振荡频率来制定。今天的原子钟的精度可以达到每10万年误差不超过1秒。2001年，美国国家标准与技术研究所首次利用激光代替微波研制出第一个光学时钟。2004年，英国国家物理实验所的科学家对这种光学时钟进行了改进。2008年，美国国家标准与技术研究所再次研制出一种新型光学时钟，比当时最先进的原子钟精准了21倍。

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