可移動光學時鐘用於首次測量引力

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】來自國家物理實驗室（NPL），Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）和Istituto Nizionale di Ricerca Metrologica（INRIM）的時鐘專家在歐洲的首次合作使用了一種可移動的光學原子鐘來首次測量引力。實驗結果發表在Nature Physics上。到目前為止，這些微妙的時鐘僅限於幾個主要研究機構的實驗室。然而PTB的研究人員開發了一種可移動的鍶光晶格時鐘，用於在現場進行測量。運輸時鐘由振動阻尼和溫度穩定的拖車驅動至法國Modane地下實驗室（LSM）。多學科實驗室位於法國和義大利之間的弗雷瑞斯公路隧道的中間。

Modane地下實驗室的可移動鍶光晶格時鐘。圖片版權：Lisdat / PTB

在那裡，團隊測量了位於義大利托里諾90公里外的INRIM的第二個時鐘與第二個時鐘之間的重力電位差，高度差約為1000米。兩個時鐘的準確比較是通過使用INRIM設置的150公里長的光纖鏈路和NPL的頻率梳將時鐘連接到鏈路來實現的。萊布尼茨大學漢諾威分校的研究人員還使用傳統的大地測量技術確定了重力電位差，並證明兩個測量結果是一致的。隨著可移動光學時鐘精度的提高，這種技術有可能解決地球表面上小至1厘米的高度差異。使用光學時鐘的優點是，他們可以在特定的點進行測量，而不像基於衛星的測量，例如GRACE和GOCE，它們在大約100公里的長度範圍內平均重力電位。

法國Modane地下實驗室（LSM）的PTB減振原子鐘的振動阻尼和溫度穩定拖車。圖片版權：Lisdat / PTB

這種新穎的方法可以導致對地球重力勢能進行更高解析度的測量，使科學家能夠以前所未有的精度監測與海平面和海流動力相關的大陸高度變化。這也將導致更加一致的國家身高系統。目前，不同的國家以相同的方式測量地球表面，但是相對於不同的參考水平。這導致了一些問題，例如德國和瑞士之間的Hochrhein橋，兩邊的建築使用不同的海平面計算，導致雙方之間的差距達到54厘米。實現國家系統的一致性將防止工程和建設項目中的代價高昂的錯誤。對重力勢的改進測量也可能有助於提高我們對與地球表面質量變化相關的地球動力學效應的理解。

PTB的可移動光學原子鐘的拖車內部視圖。圖片版權：物理技術學院（PTB）

該技術還將實時測量海平面的變化，使研究人員能夠跟蹤冰蓋質量的季節和長期趨勢以及整體海洋質量的變化。這些數據為用於研究和預測氣候變化影響的模型提供了重要的輸入。NPL的光學頻率標準和計量學研究員Helen Margolis說：原理驗證實驗表明，光學時鐘可以提供消除差異並協調跨國界測量的方法。有一天，這種技術可以幫助監測氣候變化導致的海平面變化。PTB的組長Christian Lisdat說：光學時鐘被認為是下一代原子鐘 - 不僅在實驗室中運行，而且還在移動精密儀器中運行。

INRIM的Davide Calonico表示：證明了光學時鐘是有價值的量子感測器，其量子技術在大地測量學的基礎計量之外是有益的。光學時鐘和光纖鏈路一起提供了獲得新的和令人著迷的科學研究的可能性。LeibnizUniversittHannover的Heiner Denker說：新開發的光學時鐘有可能徹底改變大地測量的高度測定，因為它們可以克服經典大地測量技術的一些局限性。光學時鐘可以幫助建立一個統一的世界高度參考系統，對地球動力學和氣候研究產生重大影響。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考： 自然物理學

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Physikalisch-Technische Bundesanstalt

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！