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比最好的铯钟还要精确100倍的光学原子钟

时间:2017-12-15 18:35:59  来源:  作者:

 在过去几年中,光学原子钟已经取得了惊人的进步。它们比最好的铯钟还要精确100倍。到目前为止,它们的精度仅适于本地使用,因为依靠卫星的频率传递无法提供足够的分辨率。现在,这种情况发生了改变,因为在布伦瑞克和巴黎之间新建了一条1400千米的光纤线路。这条线路可以让频率“出门旅行”,也可以让光学原子钟跨越国界进行比对。在PTB光学锶钟与法国LNE-SYRTE的第一次比对中,相对不确定度达到了无与伦比的5 × 10-17

  若能以最高分辨率比对时钟,那就可以开展各种各样非常敏感的物理实验,例如搜索基本常数的时间依赖性变化。另外,时钟的表观速率取决于局部引力:对两个时钟进行比对就可以测量它们之间的引力红移,从而得到它们的高度差。德国科学基金会(DFG)协作研究中心1128(“geo-Q”)的物理学家和测地学家们正在共同研究实施这种方法。

  今天最准确的原子钟都是基于光学转换。这种光学时钟具有稳定的频率,相对不确定度只有10–18数量级。这比最好的铯喷泉钟还要精确约100倍,而时间的国际单位制“秒”正是依靠铯喷泉钟实现的。然而,若通过卫星进行频率传递,时钟比对的频率分辨率就会被限制在10–16的数量级范围内。

  为此,PTB的科学家和法国两家研究机构(LNE-SYRTE和LPL)的科学家已经合作多年,在德国和法国的国家计量院(即PTB和LNE-SYRTE)之间创建了光纤连接。这个1400千米的连接线路现已完成。由长距离产生的频移被主动抑制高达6个数量级,而200 dB(1020)的功率损耗则通过专用放大器进行补偿。这样,光信号就可以非常高的稳定性进行传输。

  有了这条线路就可以实现时钟的快速比对,其不确定度小于10-18。当对两个锶光栅时钟进行比对时,平均在2000秒之后才会观察到小于2×10-17的频率波动,从而证明了这种时钟的高稳定性。通过在5×10-17的时钟不确定度范围内测量引力红移,确认了这两家国家计量院之间的高度差为22.7米。

  这条光纤高速路的建设展现了德法两国在通过光纤线路连接欧洲光学时钟网络的道路上又前进了一步,其他欧洲计量机构也可以相继加入。加入这个网络之后,这些欧洲计量机构就都能在传播光学标准方面处于领先地位——迄今为止,只有少数几家计量机构才能担负起这个角色。此外,这项工作也能为时间的SI单位“秒”的重新定义扫除障碍,因为这样一来就可以定期进行光学时钟的国际比对。


这条线路的德国段部分使用的是商业租赁的光纤和设施——德国国家研究和教育网络(DFN)的光纤和设施。法国段部分使用的是由GIP RENATER经营的教育和研究网络(RENATER)。来自LNE-SYRTEPTB的信号大约会在线路中途(即斯特拉斯堡大学IT中心)相遇,因此这两个机构的时钟比对会在这里进行。

——编译:李莉萍

本文作者:http://www.yr17.com

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