新型原子钟：精确计时器

2021-03-18朱崇恺

知识就是力量 2021年2期

朱崇恺

自从人类开始追踪时间的流逝以来，计时设备的精度就在不断提高。今天，原子钟的振动是科学家可以观察到的稳定的周期性事件，因此世界上目前最精确的计时器就是原子钟，这种精美的仪器使用激光来测量原子的振动。如果原子钟从宇宙诞生之初就一直在运转，到今天为止累计的误差也只有半秒。如果能有更准确的计时方法，那么可以帮助人类检测诸如暗物质和引力波之类的现象，科学家还可以开始回答一些令人费解的问题，例如重力对时间的流逝可能产生什么影响，以及时间本身是否随着宇宙的老化而改变。

如今，美国麻省理工学院物理学家设计了一种新型原子钟。和之前的设计不同，它测量的不是随机振荡的原子云，而是已经被量子纠缠的多个原子。为了保持完美的时间，时钟最好跟踪单个原子的振荡。但是原子是如此之小，以至于它按照量子力学的神秘规则行事：当被测量时，它的行为就像抛一枚硬币，只有在多次翻转中取平均值才能给出正确的概率。所以传统的原子钟被设计用来测量由成千上万种相同类型的原子组成的气体，以便估算其平均振荡。

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这一现象为量子纠缠。研究小组认为，如果原子被纠缠，它们的振荡将在一个共同的频率附近收紧，与不被纠缠相比，偏差更小。因此，新设计的原子钟将350个镱原子纠缠在一起，可以测量的平均振荡，比没有纠缠的时钟高四倍。