美國實驗天體物理聯合研究所(JILA)研發的原子鐘,準確度是石英表的數千億倍。研究者們解釋說,假設這個鐘在宇宙大爆炸那個時候啟用,到今天它的誤差還不到一秒。

JILA物理學家Jun Ye研究原子鐘有近20年時間了,這期間他不斷改進設計,精確度已提升了一千倍,去年3月發佈的版本創下了世界最新的精確度。其核心構件是一個約10萬個鍶原子(strontium)的密閉室。當被特定的鐳射照射時,這些原子放射出波長為698納米的紅光。

鐘擺每秒鐘擺動一次算1赫茲,那麼這些光波的震盪頻率相當於約430萬億赫茲。由於震盪的頻率取決於原子的基礎結構,因此這種計時設備十分穩定。相比之下,傳統計時鐘的鐘擺隨著溫度和濕度的變化時而加快時而減慢。

將來政府可能會根據原子鐘校準美國各地的時間,不過,如果把原子鐘僅用在這方面,那可太「屈才」了。天文物理學家在規劃利用原子鐘投入航天領域多種用途。實際上它可能是目前世界上「最精確的設備」。

太空距離測量儀

人們知道光在真空中傳播的速度每秒近30萬公里,只要測量光從A地點傳播到B地點所需的時間,就可以算出兩地的距離。有了這樣精確測量時間的儀器,就等於有了精確的太空距離測量儀。

導航天空船

一些工程師已經在用早期版本的原子鐘遠程導航天空船。比如,美國太空總署(NASA)讓地面的天線定期向飛往火星的太空船發送無線電信號,信號抵達太空船之後立即彈回。地面的天線與原子鐘相連,通過記錄信號出去和回到地面的時間差,工程師們算出太空船所處的位置、飛行速度,根據這些資訊向太空船發送導航指令。

然而地面的天線資源有限,靠近火星的飛行器常常要等上40分鐘才能和地面的天線聯絡上。這樣延時讓導航出錯幾率高。

現在NASA考慮在太空船上配備一個原子鐘,太空船可以根據首次從地面收到的無線電信號自行計算航線。NASA的導航工程師Todd Ely告訴《連線》(Wired)雜誌:「我們將能夠比今天服務更多的太空船。」

Ely的團隊計劃今年6月發送一個原子鐘到太空中觀察一年時間。他們將發送的原子鐘每天的誤差僅千萬億分之一秒,這樣的精確度仍只有Ye團隊保持的最精確記錄的萬分之一。如果可行,NASA將為以後發送的太空軌道器配備這種原子鐘。 

協調相機同時拍攝照片

準確度較好的計時器也將提升太空拍照能力。今年4月發佈的首個黑洞照片,一種名為氫原子微波激射器(hydrogen maser)的原子鐘起了很重要的作用。 

那個黑洞很小,就像在地球上看月球上一個甜圈圈那麼小。發佈黑洞照片項目團隊成員之一、亞利桑那大學的天文物理學家Dan Marrone說,他們利用可以精確到十億分之一秒的原子鐘,讓位於四個大陸的八個觀測台同時工作。

精確收聽特定無線電波 

Marrone向《連線》介紹說,原子鐘還有一個作用:過濾來自太空的信號,找到來自盤旋在黑洞邊上的氣體發出的特定的無線電波。 

Marrone說,儘管這些氣體發出各種顏色的光線,只有特定頻率才能抵達地球。他們特別挑選了221千兆赫茲。要收聽這個「頻道」,需要原子鐘這樣的精確度。原子鐘此時好比一個「基準調」,就像歌唱家根據鋼琴上C調的哆來校準發出正確的音高。

「我們需要一個極其純淨的基調與太空信號作對比。」Marrone說。

探測引力波

Ye和同事撰寫的一個計劃用一個縮小版的鍶原子鐘用於探測太空引力波。該計劃稱,在兩個衛星上各放一個原子鐘,中間發射一道鐳射。引力波經過的時候會壓縮衛星之間的距離,會改變兩個衛星間鐳射的頻率、顏色。把鐳射和原子鐘純淨的基準頻率對比,就知道是否有引力波經過。

能發現不到一釐米 的海拔差

原子鐘在地球上也有用途。按照愛因斯坦相對論,引力強的地方鐘走得慢。由於海平面比喜馬拉雅山更靠近地心,受到的引力稍微大一些,因此海平面的鐘走得慢一些。從理論上,Ye團隊的原子鐘足夠精確可感知不到一釐米的海拔差。◇