精密测量领域的原子核钟 140亿年误差仅0.1秒

据国外媒体报道，有一种时钟可以在140亿年里能保证走时误差仅仅0.1秒!140亿年是目前我们宇宙的年龄。在即将发表在《物理评论快报》(PRL)上的一篇论文里，科学家为我们描绘了一幅“原子核钟”的蓝图，如此精确的走时是从单个钍原子的原子核上获得的。这样的时钟可以被用来进行特种形式的保密通讯，用于基础物理学理论的研究。原子核钟比目前所使用的原子钟要精确100倍，原子钟是现代GPS导航系统的基础，也在广泛精密测量的广大领域有重要应用。

钟表是通过精确测量稳定的周期振荡来工作的。例如，落地式大摆钟(老爷钟)依靠的是摆锤的周期摆动;石英钟依靠的是石英晶体的特定共振频率;更加精确的原子钟依靠的则是激光激发原子的振动。但是，作为现代GPS定位基础的原子钟并不是十分完美，原子钟中的电子容易受周围磁场和电场的影响，这将使原子钟随着时间的增加而逐渐偏离同步：大约每140亿年(宇宙的年龄)误差4秒。即使这样，人们对这样的精度还是嫌不够，还需要更加精确的计时工具。因为原子钟和原子核钟工作的原理略微不同，所以在将来的某一天，人们可以同时使用二者来对物理学常数进行检验。乔治亚理工大学物理学院的教授亚历克斯.库兹米奇(Alex Kuzmich)说：“某些物理定律或许不是时间的常数，研发更好的钟表是研究它们的一种很好方法。

他的研发团队计划建造的这种“原子核钟”利用的是中子，而原子钟利用的是电子。具体来讲利用的是单个钍-229原子的原子核。中子比电子质量要大得多而且紧致包裹在原子核当中，因此，它几乎完全不受任何外部因素的影响。

为了使原子核钟振荡，研究人员计划利用工作在千万亿赫兹(petahertz)频段的激光来激发钍-229原子的原子核到更高的能级上去。通过调谐激光来产生的高能态允许科学家来非常精密的设定原子核的振动频率，该振动是普通钟表滴答声或是钟摆摆动的替代品。

原子核钟必须要保存在非常低的温度环境当中(几十微开尔文)来保证它的稳定。要产生和维持这样的低温，物理学家通常是利用激光来进行冷却，但是对于这样的系统，就会有一个问题，因为激光同时也被用来产生守时振荡。为了解决这个问题，科学家引入单个钍-232离子和用于守时振荡钍-229离子。由于较重的钍-232离子和钍-229离子受不同波长激光的影响，所以科学家通过冷却较重的钍-232来达到冷却整个系统的目的，而不影响钍-229的守时振荡。亚历山大.瑞得纳夫(Alexander Radnaev)说：“冷却的离子就像冰箱一样维持着核钟离子的稳定”。

计算表明，原子核钟可以到达精度10-19，相比之下，最好的原子钟精度只能达到10-17。当前所面临的主要挑战是，虽然许多不同的研究小组进行了很多努力，但是激发钍原子核所需的激光精确频率还没有完全确定。虽然研究小组相信，他们已经演示了制造原子核钟的潜能，但是在生产出能实际应用的原子核钟之前仍有很长的路要走。

文章的第一作者科里.坎贝尔(Corey Campbell)说：“人们已经对如此精确的原子核钟期盼了30年。建造该钟比从干草堆里寻找到一根针要难得多，而更像是要从一百万个干草堆中寻找到一根针。库兹米奇相信，目前所面临的问题会被解决的。原子核钟将把物理学推进到一个更加精确计时的新时代。他说：“我们的研究表明，利用这种方式建造原子核钟是非常值得和可行的，我们现在拥有去实现这种精确计时系统的工具和方案”。