【回答光速與時間流速是否會變化,Nature:新原子鐘計時更精確】
原子鐘是世界上最精確的計時儀器,可使用激光測量以恆定頻率振動的原子,就像許多微小的同步擺動的鐘擺一樣。世界上最好的原子鐘可以非常精確地計時,如果它們從宇宙誕生之初就開始運行,到今天誤差只會約半秒。

儘管如此,它們可以更加精確。若如此,科學家就能足夠靈敏地探測到暗物質和引力波等現象,也可以開始回答一些令人費解的問題,比如引力對時間流逝可能有什麼影響,以及時間本身是否會隨著宇宙年齡的增長而變化。

最近,美國麻省理工學院物理學家設計的一種新型原子鐘可使科學家探索這些問題,並可能揭示新的物理學。研究人員在12月16日發表于《自然》的一項報告中說,他們已經建造了一個原子鐘,其測量的不是現在最先進的設計測量的隨機振動的原子云,而是被量子糾纏的原子。原子以一種不可能根據經典物理定律的方式相互關聯,這使得科學家能夠更精確地測量原子的振動。傳送門:http://t.cn/A6qxOxPd

這種新裝置在沒有糾纏的情況下,能以比時鐘快4倍的速度達到同樣的精度。

「糾纏增強光學原子鐘有可能在1秒內達到比目前最先進的光學鍾更高的精度。」該研究主要作者、麻省理工學院電子研究實驗室的博士后Edwin Pedrozo-Penafiel說。

如果最先進的原子鐘能像麻省理工學院團隊的裝置那樣用於測量糾纏原子,它們的計時將會改進,這樣,在整個宇宙的年齡中,時鐘的誤差將不到100毫秒。

從人類開始追蹤時間流逝起就一直使用周期性現象,例如太陽在天空中的運動。今天,原子的振動是科學家所能觀察到的最穩定的周期性事件。此外,一個銫原子會以與另一個銫原子完全相同的頻率振蕩。

為了精確計時,理想情況下原子鐘會追蹤單個原子的振蕩。但原子是如此之小,其行為取決於量子力學的神秘規則:在測量時,其行為就像拋硬幣,只有在多次拋擲平均后才能給出正確的概率。這個極限就是物理學家所說的標準量子極限。「當增加原子的數量時,所有原子給出的平均值都趨向于給出正確的值。」該文章共同作者 Simone Colombo說。

這就是為什麼今天的原子鐘被用來測量由數千種相同類型的原子組成的氣體,以得到它們的平均振蕩的估計數。典型的原子鐘是這樣做的:首先使用一套激光系統將一團超高密度原子的氣體困住在一個由激光形成的陷阱里。第二束非常穩定的激光,頻率接近於原子的振動頻率,用來探測原子的振動,從而記錄時間。

然而,標準量子極限仍在發揮作用,這意味著,即使在成千上萬個原子中,關於它們的確切的單個頻率,仍然存在一些不確定性。這就是Vuletic和團隊證明量子糾纏可能有幫助的地方。一般來說,量子糾纏描述的是一種非經典物理狀態,在這種狀態下,一組原子顯示出相關的測量結果,儘管每個原子的行為就像隨機拋硬幣一樣。

研究小組推斷,如果原子被糾纏,它們各自的振蕩將在一個共同頻率附近收緊,與沒有糾纏的情況相比,偏差更小。因此,原子鐘測量的平均振蕩,其精度將超過標準量子極限。

在新原子鐘中,Vuletic和合作者讓350個鐿原子纏繞,這些鐿原子以可見光的高頻率振動,這意味著任何一個原子在一秒內振動的頻率都比銫高10萬倍。如果鐿的振蕩可以被精確地追蹤,科學家就可以用原子區分更小的時間間隔。

該小組使用標準技術來冷卻原子,並將它們困在由兩個鏡子組成的光學腔中。然後,他們通過光學腔發射一束激光,激光在反射鏡之間來回碰撞,與原子發生了數千次的相互作用。

「這就像是光充當了原子之間的通訊紐帶。」共同作者Chi Shu解釋說。「第一個看到這束光的原子會輕微地改變這束光,這束光也會改變第二個原子,第三個原子,經過許多個周期,原子集體地認識彼此,並開始有相似的行為。」

通過這種方式,研究人員將原子進行量子纏繞,然後使用另一種類似於現有原子鐘的激光來測量它們的平均頻率。當研究小組在沒有原子糾纏的情況下進行類似的實驗時,他們發現有糾纏原子的原子鐘達到預期精度的速度要快4倍。

「你可以通過測量更長的時間來讓時鐘更精確。」Vuletic說,「問題是,你需要多長時間才能達到某個精度。許多現象需要用快速的時間尺度來衡量。」他說,如果當今最先進的原子鐘能夠被用於測量量子糾纏的原子,它們不僅能準確計時,還能幫助破譯宇宙中的信號,如暗物質和引力波,並開始回答一些古老的問題。

「隨著宇宙年齡的增長,光速會發生變化嗎?」電子的電荷會改變嗎?」Vuletic問道,「這就是你可以用更精確的原子鐘來探測的事物。」http://t.cn/A6qxOxPg

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