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新闻动态

【活动新闻】为了宇宙大洋里的“嘀嗒”声——听叶军讲述“钟”的故事
发布时间:2023-09-25    1182   林梅

9月22日,上海市浦东新区南七量子科技交流中心举办了以“A brief personal history of optical atomic clocks and unexpected developments”为主题的线下活动,邀请到了上海交大 1985 级校友、美国科罗拉多大学物理系教授、美国国家科学院院士、中科院外籍院士叶军,在叶军院士的引领下,共同探索原子钟的发展史。中国科学技术大学潘建伟院士主持此次活动。


钟有什么用?对于普通人来说,可以帮助你上班打卡不迟到,对于科技人员来说,可以让GPS更加精准。但是对于物理学家叶军来说,他心目中的钟可以帮助人们在宇宙的大洋里航行。

说起测量时间的极限,叶军总会说起自己那个浪漫的梦想——“200年以前,英国的皇家海军要到海上去航行,狂风骇浪中,单摆钟表已经无法工作,但凭借一个工匠研究出的怀表,皇家海军能够掌握时间,打败西班牙的海军。如果有一天,我们真的能把原子钟的精度做到10-28到10-29次方秒,让它指引我们一直在宇宙的大海里面在航行,观察宇宙的最深处。那个时候可能就是limit of time。”

9月22日虽不是周末,但墨子沙龙活动现场热闹非常,来自全市很多高校和中小学校的学生们、以及热心科学的市民们,通过报名,来到现场,感受叶军教授的风采。

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叶军教授出生于上海,是世界著名的美籍华人物理学家。在光与物质相互作用领域,取得了很多前沿突破。其中,他带领团队发展的锶原子钟是目前世界上最精确的原子钟。他和其他优秀科学家,将科研的目光投向了“钟”,这些有趣的故事,构成了叶军教授这次报告的主题。

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原子钟,其实可以理解为原子单摆,它和机械单摆一样,都是利用某一种周期行为,去度量时间。

我们知道,原子由原子核和核外电子组成,而核外电子处于不同的能级,当电子吸收或释放能量时,就会发生跃迁,对于电子跃迁时辐射电磁波的频率,原子钟可把其作为一种节拍器来计时。很明显,这种频率要比机械单摆频率快得多,于是,可以用来精确度量时间。

原子钟,可以说是伴随着基础物理突破发展起来的技术。虽然世界上第一台原子钟在二战之后才建造完成,但是与之有关的物理理论——原子与电磁波的相互作用,早在上世纪上半叶就已建立。

最早的原子钟使用微波波段。但是人们很快发现,光学频率比微波频率范围要高若干数量级,既然更高频率也意味着更高的计时精度,那么,能级跃迁的频率差处于光学频率范围内的光学原子钟自然就成了科学家下一步的目标。

实现这个目标的过程,充满了挑战,也不乏令人惊喜的突破。

根据相对论原理,原子的运动会影响时间,所以为了得到超高精度,必须让原子“冷静”下来,并通过激光产生的驻波制造出一种光学陷阱,进而将原子囚禁在光学陷阱中,形成一种晶体结构,即光学晶格。

光学晶格钟要想真的实现超高精度,必须将各方面的技术做到极致,包含最精密的激光技术、量子调控技术、原子冷却以及多体物理研究等。比如,光学频率如此之快,怎么去测量呢?叶军在他的博士生导师约翰•霍尔的诺奖成就的基础上,利用光梳来对频率进行测量,所谓的“光梳”是指拥有一系列频率均匀分布的光频谱,这些频谱仿佛一把梳子上的齿,像是一把拥有精密刻度的尺,刻画的对象就是频率。在叶军心里,导师霍尔最伟大的地方是让你相信,“你能用自己的双手比别人做得更好”。

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2016年,叶军迎来了原子钟研究的里程碑——他的原子钟精度达到了2.1 x 10-18,这意味着这台钟哪怕从宇宙的初始放到现在,都不会有一秒的误差。而他实验室的原子钟,精度和准确度仍在不断刷新。

令叶军倍感欣慰的是,自己的研究不仅满足了自己的好奇心,也实实在在地为社会的发展做出了贡献。目前,我国和其它发达国家纷纷在光晶格钟的研制上有所发力,就是因为精确定义时间对于社会和国家均影响深远。原子钟能够用于导航定位系统中,帮助其实现更高精度定位;秒的精确定义和测量可以帮助科学家更深入地研究宇宙中的暗物质,了解发生在遥远太空中的由更小的天体并合所产生的极微弱的引力波等。

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探索总能带来太多想不到的惊喜。叶军对未来的原子钟充满了想象:虽然根据相对论,引力会影响时间,为我们的原子钟精度提高提出了挑战,但是另一方面,时间和空间是结合在一起的,当时间可以被我们准确测量时,地球形状和质量变化、地下水位变化、冰川融化、海平面上升等,都可能是原子钟的测量应用。

当然,叶军从来没有忘记那个宇宙海洋的梦想,他相信,原子钟可以作为望远镜来观察宇宙的最深处。他和团队正运用原子钟寻找神秘的暗物质。

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“我想做大自然能够让人类做到的最精确的测量。如果真的有所谓测量极限,我希望我们做的每个实验都能达到大自然最基本的极限。未来还有很长的路要走。”

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