地球最準地表, 執行300億年誤差不到1秒, 光學晶格鍾到底是什麼?

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引力波

導讀：2021年9月9日，2022年基礎物理學突破獎被授予華人科學家葉軍和日本科學家香取秀俊（Hidetoshi Katori），以表彰他們對光學晶格鍾發明和發展過程中做出的傑出貢獻，他們發明的光學晶格鍾精度可達到執行300億年誤差不到1秒，那麼什麼是光學晶格鍾呢？用這麼精準的時鐘幹什麼呢？

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華人科學家葉軍（左）和日本科學家香取秀俊（右）

時間是宇宙的基本屬性之一，自從人類靈智初開，就開始關於時間的思考：時間是什麼？如何準確地記錄時間？

公元前1250年

，尼羅河畔的古埃及人就已經將白天和黑夜分成12個小時，記錄時間的流逝，觀測星辰運轉。

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2013年在埃及出土的計時器

公元1090年

，我國天文學家蘇松歷時三年，建成以水力驅動的水運儀像平臺，成為世界上最早的天文鐘。

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水運儀像平臺

十五世紀末

，隨著地理大發現，遠洋航行要求進一步提高時間測量的精準度，於是航海鍾應運而生，人類的科技開始噴薄式發展。

公元1670年

，伽利略發現單擺的擺動週期隨著時間流逝保持不變，物理學家惠更斯利用利用單擺原理製成世界上第一臺機械鐘。

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幾個世紀以來

，一秒被定義為一天的1/86400，但是由於氣候和地質過程以及潮汐摩擦，一天的長度略有不同，隨之而來是時鐘的誤差越來越大。

1967年

，隨著人類對原子世界的探索，科學家發現同一種原子的共振頻率是一定的，因此一秒被定義為銫133原子 9 192 631770次振動的持續時間。原子鐘應運而生，精度可達到每2000萬年才誤差1秒。

但是科學家仍不止步於此。 2017年10月16日，人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波；2019年4月10日，人類獲得第一張黑洞的照片，隨著人類對宇宙深入探索，時間作為宇宙的基本屬性之一，就需要更精準地測量，才能鋪捉到時空中泛起的漣漪。

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第一張黑洞照片

於是光學晶格鍾誕生了！

光學晶格鍾超越傳統原子鐘的執行方式，將計時精度提高1000倍，精度可達到執行300億年誤差不到1秒，足足是宇宙年齡的兩倍多。

眾所周知，原子由原子核和核外電子組成，而核外電子處於不同的能量層，當電子吸收或釋放能量時，就會發生躍遷，釋放電磁波，原子鐘便是將電子躍遷時輻射電磁波的頻率作為一種節拍器來計時。但是光學轉變發生的頻率比微波轉變的頻率範圍高10萬倍，更高的頻率意味著更高的計時精度，基礎此原理，科學家設計出以高頻不可見光波為計時器的光學晶格鍾！

當進入原子的高頻狀態，科學家面臨的第一個問題是如何測量這些高頻振動的原子？科學家利用的是鐳射產生的駐波，製造出一種光學陷阱，將原子囚禁在光學陷阱中，形成類似於固體物理中的“晶體結構”的光學晶格。然後，原子就可以被鐳射激發成一個受約束的電子躍遷，透過鐳射熒光探測，形成時鐘的“滴答“。

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光學晶格

大多數的光學晶格時鐘使用原子的一維陣列，想要提高進一步提高時鐘的精度以及穩定性就必須加強晶格中的原子數。但是，隨著構成時鐘的原子數量的增加，原子本身之間的相互作用會加強，可能導致訊號的頻移，從而降低時鐘的整體精度。

為了解決這個矛盾，葉軍團隊創造性地將晶格的幾何形狀從一維拓展為三維，使三維狀態下的光學晶格時鐘能夠利用簡併費米氣體的性質，降低晶格中單個原子的相互作用。隨著原子相互作用的逐漸變弱，時鐘中的原子密度可以增加，從而使光學晶格時鐘實現穩定性提高几個數量級。正是因為此貢獻，葉軍贏得基礎物理學突破獎。

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原子結構

光學晶格時鐘有什麼用？

就現實用途而言，光學晶格時鐘可以大大提高全球定位系統和其他衛星導航網路的準確性，更精確地引導深空探測器，讓太空中的飛船不會發生星際迷航。

但是這種高精度的時鐘，更大的用途將是幫助科學家探索宇宙的本質。根據愛因斯坦的相對論，引力會彎曲空間和時間。因此，珠穆朗瑪峰頂部的一個時鐘，比海平面處完全相同的一個時鐘平均每天快三千萬分之一秒，想要精確測定如此小的時間差，唯一辦法只能是透過原子本身的微小振動來驅動計時鐘測量。

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中子星合併產生引力波

不僅如此，時空之中，只要有引力的波動，就會引起的微小時間變化，光學晶格時鐘只要捕捉到這些微小的時間變化，就能捕捉到引力波的產生。

其次，光學晶格鍾可以幫助科學家尋找

暗物質

。暗物質是當今宇宙中最難以捉摸的東西之一，雖然科學家發現宇宙中遍佈暗物質，但是科學家無法觀測，無法捕捉到這種物質，但是暗物質必須以某種方式與普通物質相互作用。因此，科學家希望能夠看到地球上的普通物質中可能含有暗物質的特徵，哪怕是非常微弱。當暗物質經過時，時鐘有可能減慢或加速，科學家希望光學晶格時鐘捕捉到這種變化。

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