今天看到個(gè)1000倍大突破的好消息，歐洲一組科學(xué)家創(chuàng)建了一種更精確的脈沖發(fā)生器，可以將時(shí)間的精度提高到目前的1000倍，3000億年才可能誤差一秒，比宇宙的年齡還長22倍！這項(xiàng)研究發(fā)表在9月27日的《自然》雜志上。
時(shí)間是這個(gè)宇宙中最神奇又最神秘的東西，它能告訴我們啥時(shí)吃飯、啥時(shí)上學(xué)、啥時(shí)候看小貓咪視頻。但是，咱們有沒有好奇過，時(shí)間這玩意兒究竟是咋測(cè)量呢？它有什么標(biāo)準(zhǔn)呢？
首先是地球自轉(zhuǎn)。地球每天圍著太陽轉(zhuǎn)一圈，這就是一天的起點(diǎn)。我們把這一天分成24小時(shí)，每小時(shí)再分成60分鐘，每分鐘再分成60秒。就這樣，時(shí)間好像有個(gè)刻度尺了，對(duì)吧？但問題來了，地球自轉(zhuǎn)速度不夠穩(wěn)定，它會(huì)因?yàn)榈卣稹⒊毕葐栴}有點(diǎn)兒小抖動(dòng)。所以，地球自轉(zhuǎn)是不夠準(zhǔn)確的！
然后就是擺鐘了。擺鐘的原理挺簡單，就是一個(gè)來回?cái)[動(dòng)的鐵球，一來一回，時(shí)間就過去了。但是，擺鐘也有點(diǎn)傻呆呆的，因?yàn)樗鼣[動(dòng)會(huì)受到空氣阻力、溫度變化等問題的影響，所以，時(shí)間也不夠準(zhǔn)。
那么，有沒有一種更穩(wěn)定、不受外界干擾的方式來測(cè)量時(shí)間呢？答案是有的！科學(xué)家們找到了一個(gè)神奇的概念，叫做“量子態(tài)”。
量子態(tài)就是原子或者粒子的一種狀態(tài)，能量、角動(dòng)量、自旋等屬性都在里面。它可不像普通的連續(xù)狀態(tài)，就像你踩樓梯，只能踩一個(gè)臺(tái)階，不能半腳踩半臺(tái)階。
在量子態(tài)的世界里，有個(gè)特別的朋友叫光子。光子是電磁波的一種，當(dāng)原子或者粒子從一個(gè)量子態(tài)躍遷到另一個(gè)，就會(huì)發(fā)射或者吸收光子。而光子的頻率和躍遷的能量是成正比的，這就是普朗克關(guān)系。
簡單來說，它告訴我們，如果我們知道了原子或者粒子的躍遷能量，我們就可以知道它們發(fā)射或者吸收的光子的頻率，反之亦然。這就是我們用來定義時(shí)間的秘密武器！
于是，我們現(xiàn)在用來測(cè)時(shí)間的超級(jí)明星——銫原子鐘就閃亮登場(chǎng)了！
銫是一種化學(xué)元素，它的原子核有55個(gè)質(zhì)子，電子圍繞著它的核旋轉(zhuǎn)。銫原子有一個(gè)特殊的躍遷，叫做“超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷”，它的能量非常小，只有9.2微電子伏特。這相當(dāng)于一個(gè)光子的頻率是9.2千兆赫茲。
所以，科學(xué)家們就用這個(gè)光子的頻率來定義一秒，也就是說，一秒就是9.2千兆赫茲的光子的頻率的9,192,631,770倍。銫原子鐘的精度非常高，可以達(dá)到每3億年誤差不超過一秒，這可比地球自轉(zhuǎn)和擺鐘要準(zhǔn)確多了！
但是但是，就算是銫原子鐘，也并不是完美無缺的。它還是會(huì)受到一些因素的影響，比如電子的躍遷會(huì)受到外界電磁場(chǎng)的擾動(dòng)，或者銫原子的數(shù)量會(huì)隨著時(shí)間而衰減。所以，科學(xué)家們一直在尋找更加精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而這時(shí)，核鐘登場(chǎng)了！
核鐘是一種全新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，它不再和電子玩，而是直接和原子核搭訕。原子核的躍遷比電子的躍遷銳利多了，能量更大，頻率更高，誤差更小。但原子核的躍遷有一個(gè)“小小”的問題，就是它需要非常高能的光子，比如X射線或者伽馬射線，這些光子不僅難以產(chǎn)生，而且也難以控制。
但是最近，科學(xué)家們經(jīng)過不懈努力，終于在歐洲X射線自由電子激光實(shí)驗(yàn)室（XFEL）取得了巨大突破！他們成功激發(fā)了一種核躍遷，為核鐘的研發(fā)邁出了決定性的一步。
科學(xué)家們選取了一種叫做鈧化學(xué)元素，它的原子核有45個(gè)質(zhì)子，核躍遷需要12.4千電子伏特的X射線，寬度只有1.4飛電子伏特（1 x 10^-15 eV）。這種核躍遷可以產(chǎn)生一個(gè)非常精確的脈沖信號(hào)，其精度可以達(dá)到3000億年內(nèi)誤差不超過一秒，這可比銫原子鐘的精度高出約1000倍！
科學(xué)家們利用特殊的光源，產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈、非常短暫、非常純凈的X射線脈沖，成功激發(fā)了鈧原子核的躍遷，并且觀察到了它們的反射和透射信號(hào)，從而證明了實(shí)驗(yàn)的成功。
這意味著制造超高精度的核鐘已經(jīng)鋪平了道路，我們即將獲得更準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)桿，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)也將有助于我們更好地探索物理學(xué)的一些基本問題，比如時(shí)空的彎曲、重力的波動(dòng)、宇宙的膨脹等。
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