下一代光学原子钟可用于探测引力波

英国《自然》杂志近日在线发表的一项物理学研究指出，下一代光学原子钟已经能比现有方法更精确地测量地球表面时空的引力扭曲。这一成果可用于探测引力波、检测广义相对论以及寻找暗物质。

时间的流逝并非绝对，而是取决于给定的参照标准。因此，时钟的测量很容易受到相对速度、加速度和重力势的影响。重力势增加会导致山顶的钟比地面的钟走得更快。为了对引力场中不同位置的钟进行比对，就需要一个共同的参照面。

地球上的参照面为大地水准面，大地水准面是与全球平均海水面重合的等势面，目前由全球卫星定位系统和一个计入重力的大地水准面模型的高程测量确定。两者当前均有几厘米的不确定度，而使用原子钟，就可以降低这种不确定度。

此次，美国国家标准与技术研究院（NIST）科学家威廉姆·麦克卢及其同事，根据三个基准表征了两个镱原子光晶格钟。科学家们报告称，以钟频为单位，系统不确定度为1.4×10-18，测量不稳定度为3.2×10-19，并能通过反复本地频率比对，达到不同钟频差为10-19量级的再现性。如此高的精确度，已经可以确保大地水准面测定的不确定度小于1厘米，远超过现有技术。

研究人员表示，原子钟是基于特定原子跃迁在光频波段的测量。下一代原子钟对引力的相对论效应非常灵敏，甚至可以用作引力位探测器。

在2016年，NIST的物理学家曾利用镱原子钟创造了原子钟稳定性的世界纪录。镱原子钟需要镱原子冷却，然后将其封闭到由激光制成的光晶格“容器”中，每秒“滴答”至少数百万亿次的光晶格会引发这些原子在两个能量级之间“摆动”，最终制成了超级稳定的原子钟。