迄今最精準原子鐘即將「報時」

近日出版的《科學》雜誌刊登了華人科學家葉軍團隊的最新成果：將量子氣體態鍶原子擠壓成一個微型3D立方體，使原子密度提高到之前原子鐘的1000倍，從而設計出迄今最精準原子鐘。新研究不僅能進一步提升GPS導航系統的定位精度，更有助於科學家們驗證愛因斯坦在廣義相對論中對時間膨脹的預言，以及探索為何萬有引力定律不能適用於量子力學等問題。

原子鐘的原理是利用原子周圍電子從激光吸收能量，在高低能態間躍遷來計時。現有原子鐘主要使用的是氫、銫和銣等原子，大家熟知的GPS系統主要使用的是同位素銫-133，但銫原子電子每秒只能移動90億次，而鍶原子內電子每秒移動速度接近1000萬億次，因此在製造精準原子鐘方面更有潛力。

在美國實驗天體物理學聯合實驗室工作的葉軍帶領團隊一直潛心於鍶原子鐘的設計，並在2014年研製出當時世界最精準的光學鍶原子鐘，與銫原子鐘3億年會出現1秒誤差的精度相比，將鍶原子用激光囚禁成線性陣列的鍶原子鐘，其精度達到每150億年（相當於宇宙年齡）才誤差1秒，打破了當時的原子鐘精確度紀錄。

此次新研究中，葉軍團隊再次打破紀錄，將鍶原子鐘的精確度再提高了20%。他們將鍶原子冷卻到-273攝氏度，使得原子變成類似費米子的量子氣體，其行為方式更像波動性，從而避免線性結構中原子間碰撞作用對時間測量精度的影響。

愛因斯坦的廣義相對論預言，時間會隨著地心引力的不同而變化，而原子鐘越精準，就可以更精確地驗證這一理論，甚至可以為太空引力波探測以及暗物質研究等宇宙未解之謎，帶來突破性進展。

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