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以更精確地方式定義我們的計(jì)量系統(tǒng)，最終能產(chǎn)生的效應(yīng)往往是深遠(yuǎn)的 。2018年11月16日，在第26屆國際度量衡大會(huì)中，60個(gè)成員國代表投票通過了對(duì)一個(gè)重要的基本單位——千克的重新定義 。在新的定義中，1千克等于普朗克常數(shù)乘以6.62607015×10+34m-2s 。在那之后，科學(xué)家又將目光投向了時(shí)間的基本單位——秒 。
在一項(xiàng)于近期發(fā)表在《自然》雜志上的研究中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的一個(gè)研究小組通過對(duì)三個(gè)原子鐘采用一種新的測量方法，朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了重要一步 。
自古以來，許多不同的文化都發(fā)展出了各自計(jì)量時(shí)間的方法和設(shè)備 。一個(gè)突破發(fā)生在17世紀(jì)，當(dāng)時(shí)，荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯建造了第一臺(tái)擺鐘 。固定長度的鐘擺總是以相同的頻率來回?cái)[動(dòng)，起到計(jì)時(shí)的作用 。
克里斯蒂安·惠更斯發(fā)明了首個(gè)擺鐘 。| 圖片來源：Wikipedia
到了18世紀(jì)，英國鐘表師約翰·哈里森（John Harrison）在惠更斯的想法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地對(duì)計(jì)時(shí)儀器做出了改進(jìn) 。他意識(shí)到更小的、頻率更高的振蕩器，可以帶來更穩(wěn)定的共振，從而使鐘表擁有更加可靠的計(jì)時(shí)能力 。
現(xiàn)在，許多鐘表采用一塊小小的石英晶體來作為振蕩器，它的形狀就像一個(gè)微型的音叉，振動(dòng)頻率非常高，因此穩(wěn)定性能非常好 。在過去的一百多年里，石英鐘表在設(shè)計(jì)上并沒有太大變化，只是它們的價(jià)格變得更加便宜，可復(fù)制性也越來越強(qiáng) 。最大的不同在于我們檢查石英鐘的方式 。
在過去，石英鐘表的校正需要借助一些規(guī)律的天文現(xiàn)象；而現(xiàn)在，我們可以根據(jù)原子內(nèi)部的自然振蕩來調(diào)節(jié)時(shí)鐘 。
原子鐘最初由英國物理學(xué)家路易斯·埃森（Louis Esseb）創(chuàng)造的，它的工作原理是計(jì)算原子中的電子自旋的翻轉(zhuǎn)頻率 。1967年，科學(xué)家通過銫-133原子在微波頻率下的跳動(dòng)，重新定義了時(shí)間的基本單位——秒 。自那之后，1秒就被定義為銫原子的電子自旋翻轉(zhuǎn)9192631770次的持續(xù)時(shí)間 。這一定義一直沿用至今 。
這是非常驚人的高精度，而這種精度有著至關(guān)重要的意義 。比如以已經(jīng)融入我們?nèi)粘Ｉ畹娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）來說，每顆GPS衛(wèi)星都攜帶一個(gè)原子鐘，而根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論，我們知道繞地球高速運(yùn)行的衛(wèi)星上的原子鐘的時(shí)間流逝，會(huì)稍慢于地面上的時(shí)鐘 。如果沒有這種高精度的定義，我們就無法對(duì)這些微小的差異進(jìn)行修正，GPS定位也就不可能實(shí)現(xiàn) 。
不過，精益求精的科學(xué)家并不滿足止步于此，他們還在思考這樣一個(gè)問題：我們是否可以對(duì)秒做出更加精確的定義？
這個(gè)問題的答案，可以歸結(jié)于是否還可以提高振蕩器的頻率 。就拿銫原子來說，它有著與微波相對(duì)應(yīng)的自旋翻轉(zhuǎn)共振頻率；但有的原子則有著與比微波頻率還要高上百萬倍的可見光相對(duì)應(yīng)的共振頻率 。
在這篇于3月24日正式發(fā)表的研究中，NIST的研究人員描述了一種非常具有挑戰(zhàn)性的測量方法 。在實(shí)驗(yàn)中，他們使用了三種分別基于鋁離子（Al?）、鐿原子（Yb）、鍶原子（Sr）的光學(xué)原子鐘 。他們將鋁離子鐘和鐿原子鐘置于NIST的不同實(shí)驗(yàn)室里，將鍶原子鐘置于離NIST約1.5千米之外的JILA（美國實(shí)驗(yàn)室天體物理聯(lián)合研究所）中 。
NIST的研究人員精確地比較了來自三個(gè)光學(xué)原子鐘的信號(hào)，其中兩個(gè)原子鐘位于NIST的不同實(shí)驗(yàn)室（標(biāo)注了Yb和Al+/Mg+的原子鐘)，還有一個(gè)（Sr）位于1.5公里外的JILA 。| 圖片來源：N. Hanacek/NIST
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