更精确的秒,更同步的世界时:日意用宇宙信号比较两地原子钟

澎湃新闻记者 虞涵棋

一秒钟的官方定义是什么?乍一眼看上去可能一头雾水:无干扰情况下铯 133 原子(133Cs)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的 9192631770 个周期所持续的时间。

但即使是如此精密复杂的定义,在新一代原子钟的技术进步面前也不断受到冲击。目前,铯原子钟能把8000万年的误差控制在1秒内,而锶原子钟的稳定度和准确度已提高了4-5个数量级。为了迎接更精确“秒”定义的到来,我们还需要更精确的手段对全世界的时钟进行同步。

来自日本国家信息与通信技术研究所(NICT)、意大利国家计量研究所(INRIM)等机构的33位天文学家和时钟专家首次利用射电望远镜观测遥远的恒星,将不同大陆上相距8700公里的光学原子钟连接起来,提出了一种维持全球时间同步的新方法。相关论文近日发表《自然·物理学》(Nature Physics)杂志上。

INRIM量子计量和纳米技术部分负责人Davide Calonico表示:“目前,新一代光学原子钟正在推动大家重新审视秒的定义。这条路必须面临的挑战是,在洲际尺度上更好地比较全球时钟。”

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射电望远镜与原子钟

我们都知道,一天有24小时,一小时有60分钟,一分钟有60秒。但在现实操作上可没那么简单,地球的自转速度并不像我们想的那样一板一眼、节奏均匀。因此,人们逐渐把时间这个概念和频率联系在一起。1660年,英国皇家学会提出,在地面表面,摆长1米的单摆一次摆动的时间约为1秒。

到了石英钟时代,钟内部有一个可以输出特定频率信号的石英晶振,也可以说这个晶振每秒钟会产生特定次脉冲。所以数特定次脉冲,就算过了一秒钟。

如此,我们再来看一遍原子钟时代的一秒钟的定义。铯 133 原子在吸收特定频率的能量之后,就会从某一个能级跃迁到另一个能级。这个特定的频率,就是一秒钟“摆动”9192631770次。

从这个定义,我们也可以知道我们探测的频率越高的话,得到的“秒”会更精确。随着原子钟从微波频率进入到光学频率,精度已经提高了5个数量级左右。

单个钟是越来越准了,那如何保证世界各地的时钟都“同步”地准呢?

相比起突飞猛进的原子钟来,用以比较不同地区的原子钟、从而计算得出民用国际时间UTC(协调世界时)的卫星链路却显得跟不上了。法国国际计量局时间部门的物理学家Gérard Petit表示,要充分利用光学原子钟来生成协调世界时,必须改进全球时钟的比较方法。

在这项新研究中,高能的银河系外射电源取代了卫星链路,作为参考信号。这些信号来自于数十亿光年之外的类星体,由重达数百万倍太阳质量的黑洞驱动,从地球上看可以视作天空中的固定点。

为此,联合团队设计部署了两台特殊的射电望远镜,分别部署在日本和意大利,利用甚长基线干涉测量(VLBI)技术保证两者接收到的频率信号之间的相位一致同步,从而将日本和意大利的两个光学原子钟实现连接。

值得一提的是,这两个原子钟的原子种类都不是铯。日本使用的是锶,意大利使用的是镱。它们都是未来国际单位制用以重新定义“秒”的候选原子。要知道,锶、镱原子的跃迁频率比铯 133要高上3-4个数量级,在新一代冷原子和光学操纵技术的加持下,光钟的精确度也大幅提高。

研究使用的射电望远镜天线盘直径仅为2.4米,便于运输。NICT的SEKIDO Mamoru团队想借用这个实验说明宽带甚长基线干涉测量不仅在地测和天文学方面十分有用,也在计量学上大有潜力。“在国际计量学界和地测学界的合作下,我们可以实现一个由甚长基线干涉测量连接的全球光钟网络。”

当然,这样精准的一秒钟对于上班打卡没有什么意义,但在军事、航天等领域富有价值。此外,这种全球基础设施网络也是研究基础物理和广义相对论的新工具,将助力探索地球引力场、甚至是物理基本常数的变化。

责任编辑:李跃群

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